高効率スピントロニクスデバイス開発へ - 新型トポロジカル絶縁体を発見

東北大学は、ミラー(鏡映)対称性で特徴づけられる新しいタイプのトポロジカル絶縁体を発見したと発表した。これにより、新型トポロジカル絶縁体を用いた高効率のスピントロニクスデバイス開発への応用が期待できるという。

同成果は、東北大大学院理学研究科の佐藤宇史教授、同材料科学高等研究所の高橋隆教授、名古屋大学大学院理学研究科の山影相助教、同大学院工学研究科の岡本佳比古准教授、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の組頭広志教授らの研究グループによるもの。詳細は、英国科学誌「Nature」系列の専門誌「npj Quantum Materials」(オンライン速報版)に掲載された。

物質内部(バルク)は絶縁体であるのに対し、その表面は特殊な金属状態を示す「トポロジカル絶縁体」が注目されている。この表面では、質量ゼロの性質を持った「ディラック電子」と呼ばれる特殊な電子が伝導を担っている。

ディラック原子にはこれまで、異なる量子力学的性質をもつ「点ノード型」「線ノード型」が存在することが予測されていたが、実験的に検証した例はほとんど見つかっていなかった。そのような中で、結晶構造にカルシウム、銀、リンまたはヒ素を持つ物質「CaAgAs 」が線ノードディラック電子を持つことが名古屋大学の研究グループによる理論計算と実験によって予測されており、実証が望まれていた。

点ノード型ディラック粒子をもつ(a)ディラック半金属と(b)ワイル半金属。(c)線ノード型ディラック電子をもつトポロジカル半金属の例 (出所:東北大学Webサイト)

(a)名古屋大学が開発した線ノードディラック電子をもつ物質「CaAgAs 」の結晶構造。赤点線は結晶のミラー面(鏡映面)。(b)CaAgAs 純良単結晶の顕微鏡写真。白矢印は結晶のc軸方向。試料表面の平坦部分に軟X線を照射して、放出された光電子を観測する (出所:東北大学Webサイト)

研究グループは今回、CaAgAsの高品質単結晶を作製し、放射光科学研究施設「フォトンファクトリー(PF)」において、そのエネルギー状態を高精度で決定した。

その結果、この物質が線ノードからなるディラック電子を内包した新種のトポロジカル絶縁体であることが明らかになった。さらに、このディラック電子が、結晶の持つミラー対称性によって安定化していることも分かった。ミラー対称性によるディラック電子の安定化は、ビスマスセレンやビスマステルルなどのトポロジカル絶縁体には無い性質であることから、結晶のミラー対称性が新型トポロジカル物質の探索の鍵となることが考えられるという。