同実験装置は、空間分解能を高めた放射光実験を行うため、HSRCによって独自に開発された装置。同装置を用いると、10μm程度の微小領域の電子の性質を、世界最高水準のエネルギー・運動量分解能で測定することが可能なほか、原子の熱振動は温度を上げると大きくなるため、今回の実験では-256℃の低温から27℃の室温まで温度を変えながら、高い精度で行われることとなったという。

電子のエネルギーと運動量の関係調査から、温度が上がるにしたがってトポロジカル表面電子のエネルギーが上昇し、電気を通さない内部においてバンドギャップが減少することが判明。これにより、トポロジカル表面電子の散乱強度は温度に依存しており、電子-格子相互作用が主要な役割を果たしていることが確かめられたとする。

また、トポロジカル表面電子の電子-格子相互作用の結合定数が調べられたところ、エネルギーに依存してその大きさが変化し、0.02～0.13の値を取ることが確認されたとする。この値は、銅の0.2やアルミニウムの0.4よりも小さい値であり、原子の熱振動の影響を受けにくいことが判明した。

  • 熱振動する原子による散乱

    (左)熱振動する原子による散乱。(右)トポロジカル表面電子の電子-格子相互作用の結合定数 (出所:広島大プレスリリースPDF)

さらに、結合定数のエネルギー依存性が詳しく調べられたところ、それが実験で得られたトポロジカル表面電子の散乱強度のエネルギー依存性とよく対応していることが明らかにされ、電子の散乱強度は散乱される過程の数と比例することから、結合定数は散乱過程の数に依存していることが判明したほか、実験結果と理論研究結果との比較より、結合定数の大きさやそのエネルギー依存性が定量的にもよく対応しており、今回の研究結果が裏付けられたとも研究チームでは説明している。

電子-格子相互作用の結合定数の小さなトポロジカル表面電子を活用すると、発熱によるエネルギー損失を抑えることが可能なことから、省エネルギーで高速に動作する新しい電子デバイスへの展開が期待できるという。また、超伝導を示すトポロジカル絶縁体では、反粒子と粒子が同一である「マヨラナ粒子」的に振る舞う電子状態が生じると提唱されており、量子コンピュータへの利用も期待されているとしている。