東大ら，新規トポロジカル物質を分光法で発見

東京大学，東京工業大学，広島大学は共同で，新しい超伝導物質PdBi₂がもつトポロジカルな電子構造を実験的に検出するとともに理論的に証明した（ニュースリリース）。

トポロジカル絶縁体は，内部は電気を通さない絶縁体である一方，表面では電気が流れる金属となっており，通常の絶縁体とは異なる新しい絶縁体に分類される。

このトポロジカル表面状態においては，質量ゼロの電子（ディラック電子）が出現するとともにその電子スピン（電子自身がもつ微小な磁石）の向きが電子の運動に垂直な方向にそろっており，これまでにない電気的磁気的機能の創出が期待されている。

その後，絶縁体に限らず金属や超伝導体においても物質のもつトポロジカルな性質や表面状態が重要視されるようになっている。特に，トポロジカル超伝導と呼ばれる状態においては，その表面状態にマヨラナ粒子と呼ばれる，いまだその存在が未検証な理論上の粒子が出現することが予言されている。

トポロジカル超伝導を実現するための物質科学的指針の1つとして，これまでは主にトポロジカル絶縁体に対して化学的に電子をドープしたり強い圧力をかけたりすることによって超伝導体へと変化させる戦略が取られてきた。しかし，このようなチューニングにより得られる超伝導体の種類や質，堅牢さには厳しい制約があり，新たな物質開拓の指針が望まれていた。

研究グループは，トポロジカル絶縁体に手を加えるのではなく，パラジウムとビスマスで構成される超伝導体PdBi₂に着目。良質な結晶を作製して最先端のスピン分解・角度分解光電子分光法を用いることにより，PdBi₂の電子構造の直接観測に成功し，トポロジカルな性質を理論的に証明するとともにその起源を解明した。

具体的には，スピン分解・角度分解光電子分光法によりPdBi₂の固体内部と表面状態における電子構造と電子スピンの向きをそれぞれ詳細に調べた。観測された表面状態の電子はディラック電子とよく似た特徴を示しており，さらにその運動方向と電子スピンが直交している様子も検出された。

この結果から，PdBi₂における表面状態がトポロジカル絶縁体表面に現れるものと酷似していることが明らかになった。研究グループはさらに第一原理計算により，PdBi₂の電子構造とそれを構成する電子の波動関数を解析。この計算結果は実際に観測された電子状態を非常によく再現するとともに，この表面状態がトポロジカル表面状態であることを証明した。

今回の研究により，PdBi₂がトポロジカルな性質と表面状態をもつ超伝導物質であることが明らかになった。実験では超伝導転移温度（5.3ケルビン）以下での測定を行なうことができなかったが，冷却性能の高い実験装置やその他の多様な実験手法を用いることにより超伝導状態の詳細な観測が可能となる。

これにより，現段階では理論研究が圧倒的に先行しているトポロジカル超伝導の検出や解明を目指す実験が大きく進展する可能性があるという。また，研究で用いた実験・計算手法は新しいトポロジカル物質の探索とその評価の指針を提示するものであり，これまで通常の金属や超伝導体と思われてきた物質の再考も含め，幅広い新物質群の開拓へとつながることが期待されるとしている。