東大ら,トポロジカル母物質のキャリアを制御

東京大学の研究グループは,理化学研究所の研究グループと共同で,近年発見されたトポロジカル半金属Cd3As2について,化学置換や電界効果を用いたキャリア制御手法を確立し,量子化された伝導現象である量子ホール効果の観測を通してトポロジカル半金属薄膜で実現される電子構造を明らかにした(ニュースリリース)。

トポロジカル物質とは,電子の波動関数に由来して電子状態に非自明なよじれを持ち,従来の物質の分類(金属・半導体・絶縁体など)には属さない物質群。トポロジカル物質は,非散逸な電子やスピンの伝導が現れることから低消費電力エレクトロニクスの有望な材料として期待されている。これまでトポロジカル物質に関する研究は,電子構造にエネルギーギャップを持つ「トポロジカル絶縁体」において精力的に行なわれてきた。

一方,近年ではエネルギーギャップを持たない「トポロジカル半金属」と呼ばれる新たなトポロジカル物質が発見され,トポロジカル絶縁体を含む広範なトポロジカル物質群を束ねる高次の性質を持つ母物質として注目を集めている。

トポロジカル半金属では,既存の物質では起こらない特殊な電気的・磁気的な性質が生じる。例えば,トポロジカル半金属において価電子帯と伝導帯が1点で接する点(ワイル点)では,あたかも仮想的な磁気単極子が存在するかのようにみなすことができる。

ワイル点に磁場を加えることによって非散逸電流が流れたり,スピンの流れであるスピン流が生じたりするなど,既存の物質では起こらない特殊な電気的・磁気的な性質が生じる。従って,将来的な応用を見据えたトポロジカル半金属における輸送現象の学理構築が急務とされている。

しかしながら,これらの輸送現象は物質中の電荷キャリア(電子や電子が不足した状態である正孔(せいこう))の濃度が高い状態では観測しづらく,トポロジカル半金属のキャリア濃度の制御が重要な課題となっていた。

研究グループは,典型的なトポロジカル半金属であるCd3As2について,高い結晶性を持つ薄膜試料を独自の成膜技術で作製し,化学置換や電界効果を用いてキャリアを系統的に制御する手法を確立した。さらに,低キャリア濃度の領域では非散逸な伝導現象である量子ホール状態を観測し,キャリア濃度を制御して詳細な測定を行なうことで二次元的な電子構造の詳細を明らかにした。

今回確立した化学置換・キャリア濃度制御の手法は,トポロジカル半金属特有の電気・磁気特性を解明していく上で重要な制御パラメータ。今回確立した制御手法を利用することで,今後多角的な研究が可能になることが期待されるとしている。

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