東工大など、質量のないディラック電子の空間分布が特異であることを発見

理化学研究所(理研)と東京工業大学(東工大)は、トポロジカル絶縁体表面に形成される質量のない電子(ディラック電子)の空間分布の観測に成功し、特異な空間分布であることを解明したと発表した。

同成果は、理研創発物性科学研究センター 創発物性計測研究チームの付英双 国際特別研究員(中国華中科技大学教授)、花栗哲郎チームリーダー、量子凝縮相研究チームの川村稔専任研究員、東工大 応用セラミックス研究所 笹川研究室の笹川崇男准教授らによるもの。詳細は英国の科学雑誌「Nature Physics」オンライン版に掲載された。

トポロジカル絶縁体は、物質内部は絶縁体でありながら、物質表面は金属であり、かつ物質表面の金属状態を担う電子は質量を持たないという特異な性質を有しており、この質量のない電子は「ディラック電子」と呼ばれている。

このディラック電子の波動関数は電子の持つ自由度に関連した2つの成分を持っており、トポロジカル絶縁体表面のディラック電子の場合、この2つの成分は電子の持つスピンに関係していることが知られている。そのため、トポロジカル絶縁体をスピントロニクス材料として用いる試みが行われてきたが、波動関数の情報を含んでいる電子の空間分布を実験的に直接観測することは困難であり、さまざまな環境においてスピンがどのような振る舞いを示すのかはよくわかっていなかった。

今回、研究グループでは、走査型トンネル顕微鏡法/分光法(STM/STS)を活用することで、トポロジカル絶縁体表面のディラック電子の空間分布を直接観測することに成功したという。

この結果、ディラック電子は、ポテンシャルの「等高線」に沿ったリング状分布することが判明したほか、同分布は、ポテンシャルと磁場の効果を取り入れたディラック方程式から求めた理論的な電子分布とよく一致していることが分かったとする。

また、ディラック方程式の理論解析を行ったところ、ディラック電子の波動関数を構成する2つの成分のそれぞれは、通常の電子と同様の多数のピークを持つが、成分ごとに異なる空間分布を示すため、実験で観測される2つの成分の和では互いが相殺されてしまい、結果として比較的相殺が起こりにくい帯の内端と外端に2つのピークが残ることも判明した。

さらに、解析に用いた理論モデルを用いて、スピン磁化の空間分布を計算したところ、ポテンシャルの形を反映した特異なスピン磁化分布が現れることが示されたとのことで、この結果について研究グループでは、ポテンシャルという一見磁気的性質とは無関係なパラメータの制御により、さまざまなスピン磁化の空間分布を作り出せる可能性が示されたとコメント。今後は、今回のような手法を活用することで、未知の側面を観察することが可能となり、将来のエレクトロニクス応用に向けた量子効果の発見へつながることが期待されると説明している。