筑波大,光制御でトポロジカル半金属状態を創成

筑波大学は,量子井戸に強いレーザーを照射して光と電子が一体化した量子状態を創成し,ある特定のレーザー強度のとき異なるバンド同士が円錐交差し得ることを理論的に示した(ニュースリリース)。

原子は原子核と電子で構成されている。そして,電子がとることのできるエネルギーは,飛び飛びの値であるエネルギー準位を持つ。

結晶中の電子の振る舞いは,非常に多数のエネルギー準位が束になった帯(バンド)状のエネルギー構造に基づいて理解されてきた。近年,相異なるバンドが交差・反転して捻じれている結晶群であるトポロジカル物質が発見され,その物理的起源を探る基礎研究や電気抵抗が極めて小さい新機能デバイスなどへの応用研究が,精力的に行なわれている。

今回の研究では,トポロジカル物質を構成する新規な素材そのものを探索するのではなく,結晶にレーザーを照射して電子の状態を変調することでバンド構造の交差・反転を誘起し,その結果生じる新奇な物理現象を追究した。レーザーの照射で誘起された動的な状態や励起状態におけるトポロジカル物質の研究は,未開拓ゆえに様々な潜在的な可能性を秘めているという。

具体的には,2次元半導体(一種の絶縁体)である量子井戸に強いレーザーを照射して光と電子が一体化した量子状態を創成し,ある特定のレーザー強度のとき異なるバンド同士が円錐交差し得ることを理論的に示した。これはレーザーによって絶縁体が半金属に相転移したことに対応するもの。

この際,微小なバンドギャップで隔てられた近似的な円錐交差も付随して発現することが分かった。さらに,このような半金属相の結晶端に現れる1次元バンド間のギャップ内に,平坦な線分状の特異なエネルギー準位が現れることを見出した。

今回の研究結果は,光制御によって2次元系である半導体量子井戸内にトポロジカルな半金属相を創成することができる可能性を示したもの。未開拓である非平衡状態・励起状態におけるトポロジカル物質の物性解明に向けた探究に資するものだとしている。

その他関連ニュース

  • 東大ら,鉄シリコン化合物でスピントロニクス実現 2021年11月22日
  • 北大ら,狙った空間に光を閉じ込める構造を開発 2021年11月04日
  • 東工大ら,スピン軌道トルク磁気抵抗メモリを作製 2021年11月01日
  • 九工大,準結晶に強磁性秩序を理論的に発見 2021年10月27日
  • 東大ら,トポロジカル・ディラック半金属を実現 2021年10月15日
  • 東大ら,カイラル磁性体に巨大磁気光学効果を発見 2021年10月14日
  • 九大ら,整流作用のあるナノ光学デバイスを実証 2021年09月13日
  • 九工大,準結晶のトポロジカル磁気秩序を発見 2021年09月06日