東北大学および大阪大学、高エネルギー加速器研究機構(KEK)は11月10日、「トポロジカル絶縁体」における質量ゼロの「ディラック電子」に対し、質量を自在に与える新しい技術を開発したと発表した。開発は、東北大学大学院の佐藤宇史准教授、大阪大学産業科学研究所の瀬川耕司准教授と安藤陽一教授、および東北大学原子分子材料科学高等研究機構の高橋隆教授らによるもので、成果は英科学雑誌「Nature Physics」2011年11月号(オンライン版は8月14日に公開)に掲載された。

トポロジカル絶縁体はその名の通りに絶縁体の一種ではあるが、通常の絶縁体とは少々異なる特徴を持つ。物質内部は電気を通さないが、表面にだけは電気を流すという特殊な金属状態が現れる物質で(画像1)、「スピントロニクス」デバイスの新材料として注目されている。

画像1。トポロジカル絶縁体のイメージ。2次元物質では端を、3次元物質では表面をアップスピンとダウンスピンの電子が逆向きに動く。これらの電子は質量ゼロの粒子(ディラック電子)として振る舞う

トポロジカル絶縁体のカギとなっているのが、物質中で質量ゼロの粒子のように振る舞うディラック電子である。ディラック電子は、電流の向きによって電子の持つ磁石の性質(スピン)を制御できるため、電荷とスピンを制御して利用する次世代の情報通信技術であるスピントロニクスへの応用が期待されているというわけである。

研究グループは今回、昨年発見されたトポロジカル絶縁体「TlBiSe2」(Tl:タリウム、Bi:ビスマス、Se:セレン)と、絶縁体「TlBiS2」(S:硫黄)を混ぜ合わせた結晶を育成し(画像2)、そのバルク(物質内部)および表面の電子エネルギー状態を、KEKのフォトンファクトリーのビームライン「BL-28A」と、東北大の「光電子分光装置」を利用して、「角度分解電子分光」によって決定した(画像3・4)。なお、角度分解光電子分光とは、光電効果によって飛び出した光電子のエネルギーの放出角度依存性を測定することにより、物質中の電子状態を調べる方法のことだ。

画像2。トポロジカル絶縁体TlBi(S1-xSex)2の結晶構造(画像提供:東北大学)

画像3。ディラック錐状態における電子のエネルギー関係の模式図。エネルギー分散が直線的であるために電子の有効質量がゼロとなり、電子がディラック粒子的な振る舞いを示す。ディラック電子が質量を持つと(左→右)、ディラック錐の上下が分裂してエネルギーギャップが生じる(画像提供:東北大学)

画像4。角度分解光電子分光で測定したTlBi(S1-xSex)2のエネルギー状態。明るい部分が電子の存在する部分を示す。x=1.0ではX字型の形状を示すディラック錐が観測され、それ以外ではX字型の状態が上下に分裂して、エネルギーギャップが生じ、ディラック電子が質量を持つ(画像提供:東北大学)

結果、TlBiSe2のセレン原子の一部を硫黄原子に置き換えることで、ディラック電子に質量を与えられることが発見されたというわけだ。さらに、その質量は硫黄の組成比によって自由に制御できることも判明したのである。

これは、トポロジカル絶縁体表面におけるディラック電子に、これまでとはまったく異なる方法で自在に質量を与えられることを実験的に示した初めての事例だ。研究グループは、ディラック電子に質量を持たせてその運動を制御する技術は、トポロジカル絶縁体を利用した次世代省エネルギーデバイスや量子コンピュータなどの開発の新たな指針となり、またHDDを大容量化させた巨大磁気抵抗効果に代表されるスピントロニクス技術の新しい展開が期待されるとしている。