東工大ら,離れた電子の結合した3次元運動を観測

東京工業大学,東京大学,理化学研究所は共同で,トポロジカル半金属と呼ばれるトポロジカル物質において,空間的に離れた表面と裏面の電子状態が結合し,量子化された三次元軌道運動として量子ホール効果を示すことを実証した(ニュースリリース)。

トポロジカル物質と呼ばれる一連の物質系では,電子状態のねじれに由来して散逸のない量子化伝導現象が生じ,それを利用した超低消費電力エレクトロニクスの実現が期待されている。

これまで電気伝導の量子化は,二次元的な電子状態を持つ物質系でのみ実現するものと理解されてきた。一方,ワイル粒子の存在により電子の軌道運動が二次元から三次元へと拡張できることが理論的に予測されてきたが,これまで観測できていなかった。

研究グループは,トポロジカル半金属であるヒ化カドミウム(Cd3As2)の高品質な薄膜を作製する成膜技術を開発し,表面量子化伝導の観測に成功している。

Cd3As2の表面状態で観測されている量子化伝導の起源については,印加磁場に垂直な試料上下の表面状態が物質内部のワイル粒子を介してつながった二つのワイル軌道を形成する描像と,従来のトポロジカル絶縁体と同様に表面と裏面それぞれに独立したサイクロトロン軌道が形成される描像のどちらであるかが重要な争点となっていた。

研究では,高品質な薄膜試料からデュアルゲート型のトランジスタ構造を作製し,試料上下表面のキャリア濃度を電界によって独立に制御する実験を行ない,表面状態が関わる量子ホール効果の観測に成功した。加えて,量子化したホール抵抗値の変化をマッピングした結果,従来型のサイクロトロン軌道に予想されるチェッカーボード状の模様ではなく,ストライプ状の模様を描くことを明らかにした。

このホール抵抗値が描く模様は,上下それぞれのゲート電圧に対して応答する軌道運動の数の違いを反映するが,ストライプ状の模様は電子の軌道運動が試料の表裏両方にまたがって存在するワイル軌道を示しているという。

これにより,トポロジカル半金属での量子化伝導が,試料の表面と裏面の電子状態が結合したワイル軌道の空間分布を持つことを世界で初めて明らかにした。これまで二次元でのみ観測されてきた量子化伝導が,三次元的な電子状態を持つトポロジカル半金属に拡張される背景には,空間的に離れた表面状態の間での散逸のない電子の行き来を可能とするワイル軌道特有のメカニズムがあるためとする。

この特異な非局所性を持つ三次元量子化伝導は,新たな超低消費電力エレクトロニクスにつながることが期待されるとしている。

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