東大ら,有機物質で初めてトポロジカル絶縁体を発見

東京大学と大阪大学は,二次元有機伝導体においてトポロジカル絶縁体状態が実現していることを実験的に明らかにした(ニュースリリース)。

トポロジカル絶縁体は表面が金属,内部が絶縁体という特殊な伝導性を持つ物質であり,特に,安価で柔軟性のある有機物質を用いた「有機トポロジカル絶縁体」は,トポロジカル材料の実用化に向けた重要な課題として世界的に探索が行なわれているが,実現は困難だと考えられてきた。

今回,二次元有機伝導体の一つであるα-(BETS)2I3という物質に着目。この物質は室温では金属であり,低温では絶縁体に変化することが以前から知られていたが,この絶縁化の起源は未解明の問題だった。

近年,この物質の低温相は電子の多体効果(強相関性)に由来する新しいタイプのトポロジカル絶縁体状態ではないかという提案がなされた。そこで研究グループは,この物質の輸送特性を詳細に調べることで理論を検証した。

まず本物質の電気抵抗の温度依存性と端子配置による違いなどを調べた。表面状態を調べるため,外部から電流を加えてその間の電圧を読みとる通常の抵抗測定に加えて,表面伝導の効果が強く表れる結晶の裏面や電流端子の外側に配置された端子による抵抗測定も併せて行なった。

その結果,表面に金属伝導が存在する物質に見られる特徴が観測され,この物質の低温電子状態がトポロジカル絶縁体であることが示唆された。

次に有機トポロジカル絶縁体に特徴的な物性を観測するため,電気伝導性に対する外場の影響を調査した。磁場と電流が平行になるように印加すると,磁場の自乗に比例する巨大な負の磁気抵抗が観測されることが分かった。これは“カイラル磁気異常効果”と呼ばれる相対論的な効果として解釈され,質量0の粒子として振舞う電子の存在を示している。

さらに,結晶に大きな電流を印加することで絶縁体状態を壊し,全体が金属の状態へとスイッチングする特徴(巨大非線形伝導性)も明らかになった。これらの外場応答性は通常のトポロジカル絶縁体では観測されず,従来の機構とは異なるメカニズムでトポロジカル絶縁体状態が実現していることを示すとともに,有機トポロジカル絶縁体が外場によって物性制御可能なトポロジカル材料として有望であることを示しているという。

この結果は,理論上の存在であった有機トポロジカル絶縁体が存在していることを初めて示したものであり,トポロジカル絶縁体が実現するメカニズムの解明に向けて重要な知見を与える。

また,磁場や電場といった外部パラメータによってその物性が劇的に変化するという新たな側面も明らかにした。研究グループは今後,新しいトポロジカル材料の開発に繋がるとしている。

その他関連ニュース

  • 茨城大,カイラル結晶構造と反強磁気秩序を明らかに 2024年05月07日
  • 阪大ら,高い操作性を持つ光周波数変換機能を実現 2024年03月12日
  • 東大ら,トポロジカル磁気光学カー効果を初観測 2023年09月07日
  • 阪大ら,アモルファス構造のエネルギーを予測 2023年08月22日
  • 理研,ジョセフソン接合デバイスの作製に成功 2023年07月26日
  • 原研,インダクタのサイズを1/10000に小型化 2023年06月16日
  • 東北大ら,バンドトポロジーをアモルファスに発見 2023年06月14日
  • NIMS,フォトニック結晶に新奇な光渦伝搬様式発見 2023年06月08日