理研と東工大、ディラック電子の磁気モーメントを精密測定する手法を開発

 

理化学研究所(理研)と東京工業大学(東工大)は2月24日、トポロジカル絶縁体表面に形成される質量ゼロのディラック電子が持つ磁気モーメントを精密に測定する新しい手法を開発したと発表した。

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 付英双 国際特別研究員(研究当時、現在は中国・華中科技大学教授)、花栗哲郎 チームリーダー、強相関量子伝導研究チーム 川村稔 専任研究員、創発計算物理研究ユニット モハマド・サイード・バハラミー ユニットリーダー、東京工業大学 応用セラミックス研究所 笹川崇男准教授らの研究グループによるもので、2月24日付の英科学誌「Nature Communications」に掲載された。

トポロジカル絶縁体とは、固体内部の電子は動くことができないが、その表面に自由に動くことができる質量ゼロの「ディラック電子」という、通常の電子とは異なる性質を示す電子が自然に現れる物質。同絶縁体表面にあるディラック電子は、置かれた環境を磁気的にすると、ディラック電子の持つ磁気モーメントが影響を受け、その結果、ディラック電子が質量を獲得することが知られている。ディラック電子の質量制御はトポロジカル絶縁体の応用にとって重要な鍵のひとつだが、そのためには、ディラック電子が持っている磁気モーメントの正確な評価が必要となる。しかし、その手法はこれまで存在しなかった。

今回、同研究グループは、走査型トンネル顕微鏡法/分光法(STM/STS)を用いた磁気モーメントの新しい評価法を開発。2種類のトポロジカル絶縁体 Bi2Se3とSb2Te2Seに適用した。その結果、2つの物質でディラック電子の運動速度がほとんど同じであるのに対し、磁気モーメントは大きさも方向も全く異なることがわかった。この結果は、ディラック電子の磁気的性質だけを選択的に変化させることができることを示しており、磁性を介したディラック電子の制御に役立つという。

また今回、磁気モーメントの物質依存性が明らかになったが、その起源はまだはっきりとわかっていない。同研究グループは、今後の研究によってこの問題が解かれれば、トポロジカル絶縁体の新しい利用法につながる可能性があるとしている。

1T(テスラ)おきに磁場を変化させて得られたデータを、縦方向にずらして表示してある。磁場中で現れるピーク構造は、電子がとり得る量子化されたエネルギー準位を示している。Bi2Se3でもSb2Te2Seでもピークの現れ方はほとんど同じである。このことは、ディラック電子の速度が2つの物質でほとんど同じであることを意味している



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