東大ら，物質開発の扉を開く電子構造を発見

東京大学の研究グループは，豊田工業大学，大阪大学，高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所らと共同で，既存のトポロジカル絶縁体やワイル半金属と，電子同士の強い相互作用（強相関）を組み合わせることで，未踏の物質開発の扉を開く電子状態を，イリジウム酸化物で発見した（ニュースリリース）。

シリコンデバイスの微細化と性能限界の問題が目前になり，次世代デバイスの台頭が待たれている。未来型デバイス開発の鍵として，スピンを制御する「スピントロニクス」が注目されている。しかしながら，一般的な物質では，そのスピンの回転軸の向きと電子の運動する方向とは無関係でばらばらであるため，デバイス応用に困難を伴っていた。

一方，近年発見された「トポロジカル絶縁体」や「ワイル半金属」と呼ばれる新奇物質群では，電子の運動方向に付随してスピンの向きが自発的に決まる，つまりスピンの向きが揃った状態である純スピン流が流れており，その特性を活かすデバイス応用が期待されている。

本来は反発し合う荒くれ者である強相関電子たちを手なずける指針が整ったことで，新奇なトポロジカル状態を舞台とする「強相関スピントロニクス」の新時代到来が期待されている。

これまでの新物質開発は，主に2つの観点から取り組まれてきた。一つは，強い電子相関を基軸に発現させる物性で，最たるものは高温超伝導や，巨大磁気抵抗効果などがあり，現在も物性物理分野の中心的課題となっている。

もう一つは，強いスピン-軌道相互作用に起因する電子物性で，最近のトポロジカル絶縁体やワイル半金属の発見を機に，世界的研究が行なわれている。今回の研究で対象としたイリジウム酸化物は，この2つを兼ね備える性質を持つため，次なるターゲットとなる新しい研究分野となっている。

研究グループは，あらゆる波長の光が束となった放射光を利用する光電子分光法によって，イリジウム酸化物内の電子を運動量空間（フェルミ海）で隈無く探索した。その結果，フェルミ海の中心一点でのみ海面に顔を出す放物型の電子構造を発見した。

これはトポロジカル理論を駆り立てる宝庫とも言える構造で，そこに歪みを加えて空間対称性を破ればトポロジカル絶縁体に，また，磁場を加えて時間対称性を破ればワイル半金属に変化するなど，純スピン流を流す様々な量子現象を発現させる上での起点となる母体となる電子状態。

この成果は，最近急速に理論研究が進展する中，実験による検証が欠如していたため，強く待ち望まれていたもの。理論予想を裏付ける特異な電子構造が今回発見されたことで，「強相関スピントロニクス」時代の幕開けに向けて，強相関かつトポロジカルな物質群を対象とする研究が，理論と実験の両面から加速することが今後期待されるとしている。