理研ら,トポロジカル電流に整流効果を発見

理化学研究所(理研),東京大学,東北大学らの共同研究グループは,磁性トポロジカル絶縁体の量子異常ホール状態において,印加電流方向に依存して抵抗値が異なる整流効果を観測した(ニュースリリース)。

トポロジカル物質の機能一つに,電流方向に依存して抵抗値の異なる「整流効果」がある。整流効果を示す代表的な素子に半導体のpn接合ダイオードがよく知られているが,トポロジカル物質に特徴的なトポロジカル電流を利用することで,このような接合を含まない物質でも整流効果が生じることが明らかになってきている。

また,「磁性トポロジカル絶縁体」と呼ばれる物質において,試料端に流れるトポロジカル電流の一種である「端電流」が発見された。この現象はホール抵抗の量子化として観測され,「量子異常ホール効果」として知られる。端電流はエネルギーの散逸なく電流を運ぶことから,低消費電力素子への展開が期待されている。

さらに,端電流は一方向にのみ電荷キャリアを運ぶという性質を持っており,特に量子異常ホール状態では,磁化の上下方向が変わることで,端電流の方向が反転する。このような方向性を持つ端電流を用いた整流効果は,これまでに観測されていなかった。

研究グループは,磁性トポロジカル絶縁体「Crx(Bi1-ySby)2-xTe3」薄膜の作製法を確立し,量子異常ホール効果を観測している。今回は,この薄膜を電界効果トランジスタ構造に加工し,表面状態に電荷キャリアを注入できる素子にした。

試料が量子異常ホール効果を示す2K(約-271 ℃)の極低温において,表面状態に電子を注入したところ,電流の印加方向に依存して,抵抗値に違いが生じた。また,磁場を加えて磁化を反転させると,抵抗の大小関係も反転した。これは,端電流の特徴である散逸の少ない一方向の流れが,整流効果の発生に直接関わっていることを意味する。

さらに,制御電圧を加えて表面状態の電荷キャリアを電子から正孔に変化させたところ,整流効果の大小関係も反転した。以上の結果は,端電流の方向と表面状態の電荷キャリアの流れる方向との関係に依存して,抵抗の大小が変化することを意味する。

今回観測された整流効果は,観測されていない新たな起源が考えられるという。理論計算では,実験で観測された整流効果を再現できた。この成果は,量子異常ホール状態を用いることで,磁化の向きによって不揮発に整流方向を制御できることを意味する。また,整流効果をさらに詳しく調べることで,省電力素子への利用に向けたトポロジカル電流のエネルギー散逸抑制の上で重要な知見が得られるとしている。

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