東大ら,高次トポロジカル絶縁体を初めて実証

東京大学,東京工業大学,産業技術総合研究所,大阪大学らは共同で,擬一次元積層物質における高次トポロジカル絶縁体の実現を,ビスマス臭化物 Bi4Br4(Bi:ビスマス,Br:臭素)を用いた実験から明らかにした(ニュースリリース)。

高次トポロジカル絶縁体は,近年その存在が理論的に予想された新しい量子相だが,これまで三次元結晶での実現は確認されておらず,実験によるその検証が待たれていた。

今回,研究グループは,ビスマスハライドBi4X4(X:ヨウ素または臭素)に着目。この結晶では,トポロジカル原子層の積み木構造が自然に実現しているだけでなく,Xサイトにヨウ素と臭素のどちらを選ぶか,または温度によっても,その積み木構造が組み変わる特徴がある。

理論的にも,トポロジカル原子層の積み方により,発現するトポロジカル相が異なることが期待されたため,放射光とレーザーを用いた最先端の角度分解光電子分光実験から,それらの電子構造を調べた。

その結果,「通常の絶縁体」及び「弱いトポロジカル絶縁体」に加えて,自然が選ぶ積み木構造の一つとして「高次トポロジカル絶縁体」が発現することを実験的に示すことに成功した。

ビスマスハライドの中でもβ-Bi4I4では,積み木ブロックであるトポロジカル原子層の1枚1枚を最も単純に積み上げた構造となっているのに対して,α-Bi4I4では,下から数えて奇数番目の層と偶数番目の層が互いにずれながら積み上がっている。

その結果,結晶内の電子が持つトポロジーが互いに異なることとなり,β-Bi4I4では結晶の側面に金属的な状態が残るのに対して,α-Bi4I4では試料内部だけでなく試料表面においても電流を流さない,所謂普通の絶縁体になる。

今回特に注目したBi4Br4では,奇数番目の層と偶数番目の層が交互に180度反転しながら積み上げられた構造となっている。そのため,結晶内の電子が感じる対称性がα-Bi4I4,β-Bi4I4の場合とは異なり,その帰結として,結晶の稜線(ヒンジ)だけが金属となる高次トポロジカル絶縁体状態が実現することが分かったという。

高次トポロジカル絶縁体では,結晶の特定の稜線(ヒンジ)に沿って,無散逸となる理想的な一次元スピン流が安定して流れる。研究グループは,この研究によって,高次トポロジカル絶縁体を利用した省電力スピン流デバイスや量子計算デバイスへの応用の道が拓かれたとしている。

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