東工大ら,新奇な磁性トポロジカル絶縁体を作成

東京工業大学,分子科学研究所,広島大学,日本原子力研究開発機構,東京大学,高エネルギー加速器研究機構,筑波大学,物質・材料研究機構,ロシア・スペインの理論グループは,トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し,その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序の発現する温度より高い温度で閉じることを実証した(ニュースリリース)。

トポロジカル絶縁体とは,物質内部は絶縁体で電流を通さないが,表面には金属状態が存在し,電流を流すことのできる新しい絶縁体であり,「量子物質」として注目されている。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性質である磁化秩序を導入することで,輸送特性として量子異常ホール効果が実現する。

磁性トポロジカル絶縁体では表面に存在するディラック電子にエネルギーギャップが開くが,これまでの研究では、理論の予想する磁化秩序(磁性)とディラックコーンのエネルギーギャップの相関が実験的に正しいのか明確でなく,論争になっていた。

今回,トポロジカル絶縁体であるBi2Te3(ビスマステルル化合物)薄膜上にさらにTe(テルル)と磁性元素Mn(マンガン)を蒸着したところ,表面近傍にMnとTeが潜り込み,Mn4Bi2Te7/Bi2Te3という新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造が形成された。

そしてこの物質の表面ディラックコーンのエネルギーギャップは,磁化秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し,最終的には閉じることが示された。

今回の研究は,トポロジカル絶縁体に複数の強磁性層を埋め込む新たな方法を発見し,磁性と表面状態のエネルギーギャップの関係に新たな知見を与えるものだという。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され,デバイス応用につながることが期待できるとしている。

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