東北大ら,量子ホール状態の絶縁領域を可視化

東北大学,筑波大学の研究グループは,トポロジカルに護られた電子状態の一つである量子ホール状態(半導体量子井戸構造に閉じ込められた二次元電子ガスに強磁場を印可した際に生じる量子化状態)を過剰電流で乱し走査ゲート顕微鏡観察を行なうことで,その特殊な絶縁性領域を可視化することに成功した(ニュースリリース)。

次世代の情報処理デバイス材料として期待されているトポロジカル物質は,従来の物質よりも電子による情報伝達が不純物などに邪魔されにくいという特性を持っている。

トポロジカル量子状態の一つである量子ホール状態では,逆向き電流が流れる左右の試料端チャンネル間に絶縁領域が存在し,端チャンネル間の電子散乱が阻害されることで,不純物や電流といった外乱に乱されにくい電気伝導特性が生じると考えられている。

従来,この特徴的なミクロスコピックな電気伝導構造が外乱に対してどのように振舞うか,電気伝導測定から直接調べる手法がなかった。

この研究では,外乱として過電流を流しながら,金属探針を走査ゲートとして用い,その応答を電気抵抗測定で捉える走査ゲート顕微鏡マッピングを行なった。この新たな手法により,ミクロスコピックに量子ホール絶縁領域の電子散乱を映し出すことに成功した。

具体的には,絶縁領域が試料端に沿って直線状のパターンとして現れ,量子ホール状態を特徴づけるランダウレベル充填率を整数値に近づけるに従って試料端から試料中央方向に移動していくことがわかった。

直線状パターンの位置が計算で求めた量子ホール絶縁領域とよく一致していることから,過剰電流下でもトポロジカルに護られた量子ホール状態のミクロスコピックな構造が保たれているということを実証した。

さらに過剰電流を大きくしていくと,量子ホール状態が壊れ,充填依存性は消失し絶縁領域は網目状に全体に広がることが明らかになった。

この研究成果は,トポロジカル普遍性が作り出すミクロスコピックな状態を探るための新しい技術を提供するもので,今後,様々なトポロジカル量子状態観察に応用が期待されることから,より外乱に強い情報処理デバイス材料の探索に貢献するとしている。

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