科学大、「磁性トポロジカル結晶絶縁体」で2つのディラック表面状態を観測

東京科学大学(科学大)は2月10日、「トポロジカル表面状態」のみに電流が流れる理想的な「磁性トポロジカル結晶絶縁体」の作成に成功したと発表した。

今回の研究の概要を示した模式図(出所:科学大Webサイト)

同成果は、科学大理学院物理学系の福島祥紘大学院生、同・平原徹教授、物質・材料研究機構の一ノ倉聖主任研究員(研究開始時は科学大助教)、同・佐々木泰祐グループリーダーらの研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

トポロジーとは、図形を連続的に変形させても変化しない性質を扱う数学の一分野である。よく「ドーナツとコーヒーカップは、どちらも穴が1つなのでトポロジーの世界では同じもの(同相)」と例えられる。この穴の数の不変量を「トポロジカル数」と呼び、この数学的な頑健さを物質内の電子状態に反映させたのが「トポロジカル物質」だ。

通常の物質は、不純物の混入や結晶のわずかな歪みによって電子の伝導性が損なわれやすい。対してトポロジカル物質は、トポロジカル数が変化しない限り、不純物や結晶の歪みの影響を受けずに特定の電気伝導性が維持される。この極めて高い安定性は「トポロジカル保護」と呼ばれ、エネルギー損失の少ない次世代デバイスを実現する鍵として期待されている。

このトポロジカル物質の代表とされるのが「トポロジカル絶縁体」だ。物質内部(バルク)は絶縁体だが、表面や縁には「トポロジカル表面状態」という特異な金属的電子状態が存在し、電流を流す性質を持つ。通常の表面状態が化学的環境の変化に敏感なのと対照的に、トポロジーに由来するこの状態は極めて堅牢とされる。ここに強磁性の性質を導入すれば、磁場を印加せずとも無散逸伝導が起きる「量子異常ホール効果」を実現可能だ。

量子異常ホール効果の実証において課題となっているのが、トポロジカル物質のバルクにおける欠陥である。内部に存在する不純物の影響で、完全な絶縁体とすることが困難なためだ。これまで、通常のトポロジカル絶縁体では、バルクが絶縁体かつ強磁性を併せ持つものが合成されていたが、「トポロジカル結晶絶縁体」に関しては、±2、±4といった高「チャーン数」の量子異常ホール効果が予想されながらも、高いバルク絶縁性と強磁性を併せ持つ物質の報告はなかったとする。そこで研究チームは今回、トポロジカル結晶絶縁体の一種である「スズテルル」(SnTe)に着目し、磁性トポロジカル結晶絶縁体の実現を目指したという。

今回の研究では、まず「ビスマステルル」(Bi₂Te₃)基板上に高品質なSnTe薄膜を作製し、その上からテルルと磁性元素マンガンの蒸着が行われた(なお、SnTeやBi₂Te₃は化学的にはテルル化スズ、三テルル化ニビスマスだが、ここでは慣用的な呼称を用いた)。

その結果、SnTe薄膜の表面付近に基板からのビスマス層が析出し、表面付近にあるはずのマンガンの一部はSnTeの内部まで侵入するという、理想的とは言えない特異な試料が形成された。しかし、このような試料においても、理論的に予想されるSnTeの2つのトポロジカル表面状態(電子的およびホール的)が観測された。まさに、トポロジーの違いに起因する原因の頑丈さが実証された格好だ。

(a)実験で観測されたマンガンドープSnTe薄膜の表面電子状態。波数が0および0.8Å^-1付近に、それぞれ電子的およびホール的なディラック表面状態が存在することが判明した。(b)ホール効果の測定データ。強磁性に由来する異常ホール効果が確認され、非線形な振る舞いから、2つのディラック表面状態の競合が明らかにされた。(出所:科学大Webサイト)

さらに、バルク絶縁性が高く、このトポロジカル表面状態のみが薄膜の伝導に寄与していることが、電子のエネルギーの観点のみならず、実際の輸送現象の測定から確認された。特に、電子的およびホール的な2つの「ディラック表面状態」が競合するようなホール効果と強磁性の共存が、絶対温度3.5K(約-270℃)で明確に観測されたとした。なお、ディラック電子とは、「相対論的量子力学」に従う電子を指し、トポロジカル絶縁体の表面ではこの電子がスピン偏極していることが知られている。

トポロジカル結晶絶縁体は、通常のトポロジカル絶縁体と異なり、結晶の対称性によってその存在が保護されており、SnTeにおいては電子的およびホール的な2つのディラック表面状態を持つ。この性質により、高チャーン数の量子異常ホール効果の実現や、結晶の対称性・磁化の制御によるチャーン数の操作など、デバイス応用に向けた多様な可能性が指摘されており、今回の成果は、これらの興味深い理論の実証およびデバイス開発に向けた重要な一歩としている。

通常のトポロジカル絶縁体では、表面状態が1つの場合が多いため、高いバルク絶縁性を持つ磁性トポロジカル結晶絶縁体において、複数のディラック表面状態が競合する輸送現象を実験的に解明したのは、今回が世界で初めてのこととなる。研究チームは今後、トポロジカル表面状態の電子のエネルギー状態をより精密に制御することで高チャーン数の量子異常ホール効果を実証し、マンガン以外の磁性元素を添加することで、より高温で強磁性の性質を示すトポロジカル結晶絶縁体物質の開拓を目指すとしている。