トポロジカル絶縁体: 金属にトポロジカルな特性を付与する

2015年06月29日

トポロジカル絶縁体に極薄の金属膜を接合させると、トポロジカル絶縁体の伝導特性が金属膜に移されることが明らかになった

AIMRの研究者らは、ディラックフェルミオンとしてふるまう電子状態が、トポロジカル絶縁体(TlBiSe2)の表面から極薄金属ビスマス層(赤色の球)へと移動することを見いだした。
AIMRの研究者らは、ディラックフェルミオンとしてふるまう電子状態が、トポロジカル絶縁体(TlBiSe2)の表面から極薄金属ビスマス層(赤色の球)へと移動することを見いだした。

Macmillan Publishers Ltdの許可を得て改変: Nature Communications (参考文献1), copyright (2015)

東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の研究者らは、表面でユニークな伝導特性を示すトポロジカル絶縁体と極薄の金属膜を接合させると、トポロジカル絶縁体の表面の伝導特性が金属膜側に移動することを初めて示した1

トポロジカル絶縁体は、内部が絶縁体だが表面では電子が流れる、興味深い新物質である。従来の伝導体とは違い、トポロジカル絶縁体の表面を流れる電子のスピンは欠陥や非磁性不純物の影響を受けないため、スピントロニクスなどの新分野での利用が大いに期待されている。

トポロジカル絶縁体を空気などの普通の絶縁体を接合させると、表面(界面)において特殊な伝導が起こることから、この組み合わせについては広く研究されてきた。これに対して、トポロジカル絶縁体と金属との接合は、実用的なデバイスにとって重要な系であるにもかかわらず、あまり詳しく調べられていない。

このたび、AIMRの相馬清吾准教授、高山あかり研究員(現・東京大学理学部助教)、高橋隆教授は、東北大学および大阪大学の研究者らとともに、トポロジカル絶縁体とわずか2原子層の厚さしかない金属膜の界面を探った。研究チームは、スピン分解角度分解光電子分光法を用いて、トポロジカル絶縁体TlBiSe2(Tl:タリウム、Bi:ビスマス、Se:セレン)上のBi超薄膜を詳しく調べた。

測定の結果、トポロジカル絶縁体の表面に見られる興味深い電子状態が、Bi超薄膜へと移動することが明らかになった。測定された電子状態は半整数スピンを持ち、ディラック方程式に従うため、物質中のディラックフェルミオンとみなすことができる。理論計算は、電子状態のこうした移動は、界面の電子の波動関数がスピンに強く依存して混合することによって起こることを示唆していた。

「従来の知見とは大きく異なり、トポロジカル絶縁体が金属と接すると、トポロジカル絶縁体のディラックフェルミオンの大部分が金属へと移動することがわかったのです」と相馬准教授は説明する。

今回の研究は、物質のトポロジカル特性の操作に向けて新しい道を示すものである。「例えば、トポロジカルに保護された状態を金属に付与することにより、金属スピントロニクス物質の性能を向上させることができるかもしれません」と相馬准教授は話す。

研究者らは、今後もこの効果を研究していく予定である。「トポロジカル絶縁体上にさまざまな厚さの金属薄膜を作製し、スピン分解角度分解光電子分光法で特性評価を行う計画です」と相馬准教授は言う。「トポロジカル絶縁体の上に強磁性体や超伝導体などのさまざまなエキゾチック金属を形成し、物質中の特定の秩序と結合させたときにディラックフェルミオンの電子状態がどのように変化するかを調べることにも興味があります」。

References

  1. Shoman, T., Takayama, A., Sato, T., Souma, S., Takahashi, T., Oguchi, T., Segawa, K. & Ando, Y. Topological proximity effect in a topological insulator hybrid. Nature Communications 6, 6547 (2015). | 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。