東大など、半金属ビスマス自体がトポロジカル物質であることを解明

東京大学(東大)は11月21日、半金属ビスマスがトポロジカル物質であることを解明したと発表した。

同成果は、東京大学大学院理学系研究科博士課程 伊藤俊氏、東京大学物性研究所 松田巌准教授、お茶の水女子大学基幹研究院 小林功佳教授、広島大学、台湾・国立清華大学、NSRRC研究所らの研究グループによるもので、米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載される予定。

トポロジカル物質とは量子力学の原理に基づく性質を保存した材料。絶縁体の表面のみで電気が流れるなど身のまわりの物質とは大きく異なる性質を持ち、今後次世代の情報技術への応用に向けて注目されている。

ビスマスは代表的な半金属材料だが、最近ではさまざまなトポロジカル物質を合成するのに欠かせない原料となっている。しかし、純粋なビスマス結晶それ自体がトポロジカル物質かどうかは謎であった。これは、トポロジカル物質は一般に、光電子分光法によりバンド構造を観測することで確認できるが、ビスマス結晶は量子力学の不確定性原理で決まる測定限界をもっており、正確な測定が阻まれていたためである。

光電子分光において、不確定性原理による測定限界は3次元的な性質に対して生じるもののため、同研究グループは今回、3次元的な物質であるビスマスを極めて薄い2次元的な膜にすることで、この測定限界の問題を回避できることを見出した。原子スケールまで薄くした膜の中では、閉じ込められた電子の波が作る干渉波形が直接見えるようになるという。

さらに、この干渉波形が物質固有の情報を持っていることから、膜の厚みを変えながら干渉の様子を調べていくことで、物質の3次元的な情報を抽出できることが明らかになった。同研究グループは、膜の厚みを制御した試料に対して光電子分光測定を行うことで、ビスマスの複雑なバンド構造を精密に決定し、ビスマスがトポロジカル物質であることを確認することに成功した。

同研究グループは、ビスマスの今まで解明されていなかったトポロジカル特性が明らかになったことで、今後これを活かした次世代デバイス材料としての利用が期待されると説明している。