理研ら，質量のない電子の空間分布の観測に成功

理化学研究所（理研）と東京工業大学は，トポロジカル絶縁体表面に形成される質量のない電子（ディラック電子）の空間分布の観測に成功し，特異な空間分布であることを解明した（ニュースリリース）。

トポロジカル絶縁体は，物質内部が絶縁体である一方，物質表面は金属であり，また物質表面の金属状態を担う電子には質量が無い特異な物質。質量のない電子はディラック電子と呼ばれ，その電子の動きは2つの成分を持つ波動関数で表現できる。

トポロジカル絶縁体表面のディラック電子の場合，この2つの成分は電子の持つスピンに関係している。電子の動きとスピンを制御できれば，スピントロニクス応用に向けた新しい量子現象につながると期待されている。そのためには，ディラック電子の空間分布の直接観測が必要だが，これまで行なわれていなかった。

今回，研究グループは，ビスマス（Bi）とセレン（Se）から作製した高品質Bi₂Se₃単結晶をトポロジカル絶縁体として用い，表面のディラック電子をナノスケールの空間に閉じ込め，走査型トンネル顕微鏡法／分光法（STM/STS）を用いてディラック電子の空間分布を直接観測した。その結果，ディラック電子の空間分布は通常の質量を持つ電子の分布と異なっていることが分かった。

この結果を理論的に解析したところ，ディラック電子の2つの成分がそれぞれ異なる空間分布を持つことが特異な空間分布の原因であることが分かった。さらに，2つの成分の空間分布の違いは，ユニークな磁気構造をもたらすことが示唆された。

研究グループはこの成果について，トポロジカル絶縁体表面のディラック電子を制御する，新しい方法の開発につながるものと期待している。