東北大学，大阪大学，京都産業大学，高エネルギー加速器研究機構，量子科学技術研究開発機構は，テルルの量子細線が1次元トポロジカル絶縁体であることを明らかにした（ニュースリリース）。
トポロジカル絶縁体は，次世代の超低消費電力デバイスへの応用が期待されるなど，大きな注目を集めている。また，原子1個から数個分の厚さの薄膜や量子細線の研究が世界中で進められている。究極的に小さな量子細線のトポロジカル絶縁体は，これら固体物理の重要テーマが交差する領域だが，安定して存在する理想的な物質が見つかっておらず，性質の理解は進んでいない。
今回，研究グループは，らせん構造をした量子細線が束になった構造を持つテルルに着目した。テルルは，らせんが右巻きの場合と左巻きの場合で異なる光学特性を示すキラルな物質として研究されてきたが，最近の理論研究により，テルルの量子細線1本1本が1次元トポロジカル絶縁体になることが予測されている。
これを実証するには，量子細線の清浄な断面を準備し，そこに現れる電荷を観測する必要がある。しかし，原子同士が強く結合した細線が束になった物質を切断し，断面をきれいに揃えることは容易ではなかった。
研究では，新たに開発したアルゴンガスのクラスターをイオン化して試料に照射する装置（GCIB装置）を用い，量子細線の端をきれいに削ることで，断面を揃えた上で清浄性も実現することに成功した。
その後，真空紫外放射光をミクロン径に集光して高い空間分解能を実現したマイクロ角度分解光電子分光（ARPES）装置を用いて，量子細線の断面の電子状態を精密に測定した結果，バンドギャップ内に現れるスピン偏極した電子状態の観測に成功した。
第一原理計算との比較から，このバンドギャップ内に現れた電子状態は，量子細線の端に現れる電荷に由来することを明らかにした。また，紫外光で試料表面を走査してこの電子状態の空間分布を調べた結果，隣接する量子細線間を電子が飛び移ることで，理論的にも予想されていなかった伝導経路（エッジ状態）が形成されることを明らかにした。
この成果は，1次元トポロジカル絶縁体の性質解明に向けて重要な一歩となるほか，量子細線の端に現れる電荷は，量子ビット（量子コンピューター）や高効率太陽電池，高感度光検出器，ナノトランジスタなどの研究を加速する。
さらに，量子細線をつなげてエッジ状態を形成できるという発見は，量子細線の並び方を調整・制御することで伝導経路を自在に構築できる可能性を提案するものであり，スピン偏極電流回路の設計指針を与えるものだとしている。
