東大ら,ビスマスのトポロジーの謎を解明

東京大学,お茶の水女子大学,広島大学,台湾国立清華大学,台湾NSRRC 研究所は共同で,半金属ビスマスがトポロジカル物質であることを解明した(ニュースリリース)。

半金属ビスマスは,質量がほぼゼロのディラック電子を持つなど,興味深い性質を示す。特に近年は,トポロジカル物質と呼ばれる新しい物質群を構成する中心元素としても注目を集めている。しかし,ビスマスそれ自体がトポロジカル物質であるかどうかは長らく議論が続いていた。

これは,トポロジカル物質は一般に光電子分光法によりバンド構造を観測することで確認できるが,ディラック電子などの複雑な構造を精密に決定することが難しかったため。ビスマスは測定限界が量子力学の不確定性原理によって決まっており,この問題解決は困難とされてきた。

研究グループは,3次元的な物質であるビスマスを極めて薄い2次元的な膜にすることで,この測定限界の問題を回避できることを見出した。原子スケールまで薄くした膜の中では,閉じ込められた電子の波が作る干渉波形が直接見えるようになる。光電子分光において,不確定性原理による測定限界は3次元的な性質に対して生じるもののため,2次元的な膜の中の電子波は遥かに精密に測定できる。

さらに,この干渉波形が物質固有の情報を持っていることから,膜の厚みを変えながら干渉の様子を調べていくことで,物質の3次元的な情報をも抽出できることが分かった。

試料は超高真空の中でビスマスの原子ビームを飛ばす手法により作成し,放射光施設のビームラインにて測定を行なった。膜の厚みを制御した試料に対して光電子分光測定を行なうことで,ビスマスの複雑なバンド構造を精密に決定し,ビスマスがトポロジカル物質であることを疑いなく確認でき,長年の謎に決着を付けることができた。

この研究はビスマスの基礎研究における重要な一歩であるだけでなく,トポロジカル物質の性質を活かした応用技術開発に向けても価値ある成果だという。ビスマスは安定な単元素のトポロジカル物質であり,また安全・ 安価な物質であることから,次世代のデバイス材料の有力な候補。

また,研究における電子の干渉波形を用いた手法は他の様々な物質に応用できるという。現在でも次々と新しい機能を持ったトポロジカル物質が提案されているが,これらの多くはビスマス同様複雑な電子構造を持っており,高分解能測定が欠かせない。今回の手法は,超精密な測定手法の1つとして今後の物質研究で活用されていくだろうとしている。

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