東大ら,歪でスピン流をスイッチする物質を発見

東京大学,大阪大学,北海道大学,東京理科大学,学習院大学らは,擬一次元TaSe3(Ta:タンタル,Se:セレン)がスピン流を生成するトポロジカル絶縁体状態にあることを示すと共に,その結晶を少し歪ませるだけで,通常の絶縁体へと容易に変化させられることを見出した(ニュースリリース)。

スピン流を制御する手法として,トポロジカル絶縁体状態と通常絶縁体状態を行き来するトポロジカル相転移を用いる手法が期待されているが,両者を瞬時に切り替え制御する手法は確立していない。

研究グループは,タンタルセレナイドTaSe3に着目。この物質はトポロジカル絶縁体状態を発現することが理論的に予想されていたことから,実験的に実証することから始めた。

また,この物質は固体の中でも柔らかく,容易に原子間の距離を変えることができる。さらに、鎖を積み重ねた擬一次元的な構造を持ち,その一次元方向に電子が流れやすい性質があることから,鎖の方向に結晶を歪ませることで効果的に電子の振る舞いを制御できる可能性にも着目した。

トポロジカル絶縁体状態が実現していることを証明するためには,物質の電子が持つエルギーと運動量をプロットして描かれる模様(電子構造)を視覚化する必要があり,角度分解光電子分光が最も有力な実験手法になる。

研究では,放射光およびレーザーを用いた最先端の角度分解光電子分光実験によってTaSe3の電子構造を調べ,トポロジカル絶縁体状態の特徴となる表面特有の電子構造を見出した。さらに,TaSe3の表面にスピン流が流れていることが分かったことで,この物質がトポロジカル絶縁体状態にあることを実証した。

次に,基板に試料を乗せ,基板を徐々にたわませながらTaSe3の電子構造を測定した。基板をたわませると,物質内の原子間距離が僅かに広がる。試料へ加わる力がある閾値を超えたところで電子構造にギャップが開き,電気伝導を担う電子構造が消失することを見出した。

スピン流を象徴する電子構造が消失するこの結果は,トポロジカル絶縁体状態から通常の絶縁体状態へと相転移したことを意味する。さらに,基板のたわみを解除すると,スピン流を象徴する電子構造が復活し,再度トポロジカル絶縁体状態へと転移することも確認した。

この結果は,スピン流を容易にon/off制御する新たな手法を提案するもの。基板に物質を乗せ歪ませるだけの簡単な手法で,トポロジカル絶縁体状態と通常絶縁体を瞬時に切り替えがられるため,瞬間的かつ可逆的なスピン流のon/off制御が可能となる。研究グループは,この手法を用いた応用研究が今後期待されるとしている。

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