阪大,複数トポロジカル量子相の生成と制御に成功

大阪大学の研究グループは,ユーロピウムとリンからなる磁性半金属において,複数のトポロジカル量子相の磁場による生成と制御に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

最近注目を集めているトポロジカル半金属における電子は,集団として純粋で頑強な量子状態をとるために,不純物による散乱を受けにくいといった特殊な性質をもつ粒子として振る舞う。

固体中の電子は波として広がっており,電子の状態は運動量とエネルギーの次元をもつ構造(バンド構造)として記述できるが,トポロジカル半金属はこの構造内に通常の金属にはない特異な点あるいはリングを見いだすことができる。

例えば,その代表例であるワイル半金属中の電子は,エネルギー・運動量空間のある点で正味の磁束を持つ質量ゼロの単極子として振る舞うことができる。また,ノーダルライン半金属相と呼ばれる物質群では,この振る舞いをエネルギー・運動量空間内でリング状の経路に沿ってさらに安定化させることが可能になる。

このような非自明な量子秩序の外場制御は,実空間では存在し得ないエキゾチックな電子相へのアクセスを可能にするため,近年特に磁性を有するトポロジカル半金属の精力的な開拓が進められてきた。しかしながらトポロジカル量子相と磁性の関係は自明ではなく,外場制御が可能なトポロジカル半金属の開拓は遅れていた。

研究グループは,リンとユーロピウムからなる磁性半導体において,外部磁場を印加する方向によってワイル半金属相とノーダルライン半金属相を作り分けることに世界で初めて成功した。

この系の特徴として,ポストグラフェン材料として盛んに研究されている黒リンに似た層状のリン骨格を基本構造とする点と,その層間に磁性元素として最も大きな磁気モーメントをもつ2価のユーロピウムイオンを内包し,この磁気モーメントと伝導電子が絶妙な相互作用をするという点にある。そのため,外部磁場でこの磁気モーメントを制御することで,電子構造を大幅に制御することが可能となる。

その結果,結晶のもつ鏡映対称面に垂直もしくは平行に磁場をかけることで,それぞれ巨大異常ホール効果を示すノーダルライン半金属相と負磁気抵抗効果を示すワイル半金属相を選択的に生成することに成功した。

また,理論計算から,これらのトポロジカル電子相の生成にはユーロピウムの磁性とリン格子を流れる伝導電子の間に特徴的な相互作用があることや,結晶構造のもつ対称性の保存・非保存が重要な役割を果たしていることを明らかにした。

この成果は,新たなトポロジカル量子相の探索に適した磁性半導体・半金属の設計指針を与えるものであり,また将来の量子情報技術に用いられる電子デバイスに実装可能なトポロジカル相を生成・操作するための新しいアプローチを提供するものだとしている。

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