トポロジカル絶縁体: 大きな飛躍

2011年01月31日

大きなバンドギャップをもつトポロジカル絶縁体の発見は、室温動作の新しいスピントロニクスデバイスの可能性をひらく

図1: TlBiSe2における電子状態の明確な交差は、保護された表面状態が存在する証拠である。左側は、実験によるARPES強度データ(kは電子運動量)。右側は3次元理論モデル。
図1: TlBiSe2 における電子状態の明確な交差は、保護された表面状態が存在する証拠である。左側は、実験によるARPES強度データ(kは電子運動量)。右側は3次元理論モデル。

© 2010 APS

スピントロニクスは従来のエレクトロニクスに代わる有望な技術であり、電子の電荷の代わりにスピンを用いることで、比較的容易に、高いエネルギー効率で情報処理を行うことができる。残念ながら、電子スピンを遠くまで輸送しようとすると、電子スピンがもつ情報は失われてしまう。しかし、トポロジカル絶縁体という新種の材料を利用すれば、そのような散失がなくスピンを輸送できるようになり、この問題が解決できると期待されている。

これまでに発見されたトポロジカル絶縁体は、作製法や材料に難点があり、このようなスピン輸送能力を明確には示していなかった。けれどもこのたび、東北大学の原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)と理学部物理学科の研究者らは、大阪大学の共同研究者らと共同で、このような欠点を補うことができる材料を発見した1

トポロジカル絶縁体は、その名のとおり電気絶縁体であり、電子状態には電子が乗り越えられないエネルギーギャップが存在する。トポロジカル絶縁体のユニークな特性は、導電性の表面で生じる。導電性の表面状態はトポロジカルに保護されているため、材料中に不純物などがあっても、電子スピンの状態は保たれる。

これまでのところ、トポロジカル絶縁体は、Bi2Se3など数えるほどしか発見されていない。しかも、その大半が、エネルギーギャップが小さすぎて、バルク(内部)でも電気が流れてしまうという問題がある。研究チームが今回発見した新しいトポロジカル絶縁体は、TlBiSe2(Tl:タリウム、Bi:ビスマス、Se:セレン)という化合物である。研究者らは、タリウムを用いることでバンドギャップが大きく広がり、既存のトポロジカル絶縁体の中で最大のエネルギーギャップをもつ物質を作製できることを見いだした。バンドギャップが大きい材料は熱に対して安定なため、TlBiSe2は室温で作動するデバイスに応用できる可能性がある。また、表面電子状態のバンド分散曲線の明確な交差を観測することによって、トポロジカルに保護された表面状態の存在も確認できた(図1)。研究チームの相馬清吾助教は、「この化合物の材料特性を向上させることにより、トポロジカル絶縁体を利用した高速低消費電力デバイスの基盤が強化されるでしょう」と話す。

ほとんどのトポロジカル絶縁体と同じように、この化合物でできたサンプルは全体的に電気を通してしまう。相馬助教によると、この問題は、サンプル組成のわずかなズレに起因している可能性が非常に高く、サンプル中のタリウムとビスマスの比を調節することによって解決できる可能性があるという。しかし、今回作製されたサンプルも、東北大学の高分解能角度分解光電子分光(ARPES)装置を用いて特性を精密に調べられるだけの質の高さをもっている。「いずれにしても、この研究から得られた知見は、同類の新しいトポロジカル絶縁体の探索に役立つでしょう。TlBiSe2は3元化合物なので元素の組み合わせの数が増えますから、今後、新しいトポロジカル絶縁体が見つかる可能性が大きくなると考えられます」と相馬助教は言う。

References

  1. Sato, T., Segawa, K., Guo, H., Sugawara, K., Souma, S., Takahashi, T. & Ando, Y. Direct evidence for the Dirac-cone topological surface states in the ternary chalcogenide TlBiSe2. Physical Review Letters 105, 136802 (2010). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。