理研ら,トポロジカル絶縁体の表面金属状態を絶縁化

理化学研究所(理研),東北大学,東京大学,産業技術総合研究所の共同研究グループは、磁性層と非磁性層を交互に積み重ねた「トポロジカル絶縁体」積層薄膜を作製することで,特殊な「電気磁気効果」の発現が期待される新しい量子状態を実現した(ニュースリリース)。

電気磁気効果は電場印加によって磁化(磁石としての性質)が発生したり,逆に磁場印加によって電気分極が起きたりする現象のことで,将来の省電力メモリー素子への応用が期待されている。

トポロジカル絶縁体は,物質内は電気を通さないが表面は電気を通す物質であり,トポロジー(位相幾何学)に由来する特殊な電気磁気効果が発現すると理論的に予測されている。

しかし,トポロジカル絶縁体では通常,金属的な表面状態があるため電気磁気効果が生じない。そのため,電気磁気効果の観測にはトポロジカル絶縁体の表面を絶縁化する必要がある。

理論的には,二つの磁性層の磁化を,表面に対して垂直にそれぞれ逆向き(反平行)に向かせると絶縁体になると予測されているが,従来の技術では磁化の向きを制御するのは困難だった。

今回,研究グループは独自に開発した「磁気変調ドーピング」という手法で,トポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3(Bi:ビスマス,Sb:アンチモン,Te:テルル)」と,それに磁性元素Cr(クロム)を添加した磁性トポロジカル絶縁体「Crx(Bi1-ySby2-xTe3」を用いて,磁性/非磁性/磁性の三層に積層した薄膜を作製した。

この薄膜を調べたところ,二つの磁性層の磁化が反平行になる状態ができ,表面が絶縁化していた。この結果は,理論的に予測されている特殊な電気磁気効果発現の条件であり,電気磁気効果観測のための物質基盤を確立したことになるとしている。

今後,作製した積層構造の薄膜を用いて特殊な電気磁気効果を直接観測できると考えられるという。また,今回の積層技術の開発によって可能になった新しい量子状態はトポロジカル絶縁体の理解をより深め,さらにスピントロニクスや量子コンピューティングへの応用に役立つと期待できるとしている。

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