東北大ら,キラリティーが特徴のトポロジカル絶縁体を発見


東北大学,名古屋大学,高エネルギー加速器研究機構(KEK)らの研究グループは,放射光を用いた光電子分光実験により,これまで見つかっていたトポロジカル絶縁体とは異なり,結晶自身の持つミラー(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(ニュースリリース)。

物質内部は絶縁体であるのに対して,その表面は金属状態を示す「トポロジカル絶縁体」の表面では,有限の質量を持つ普通の電子とは全く異なり,質量ゼロの性質を持った「ディラック電子」が伝導を担っている。このディラック電子は,物質中の普通の電子よりも格段に動きやすく不純物に邪魔されにくいという性質を持ち,グラフェンにおいて見られることが以前から知られている。

最近では,表面ではなくバルク自身がディラック電子を内包するトポロジカル絶縁体の発展版とも言える「ディラック半金属」や「ワイル半金属」などといった物質が次々と発見され,ディラック電子のもつ超高移動度などの性質を利用した新しい量子現象や電子デバイスの提案・実証などが進んでいる。

このディラック電子には,エネルギーバンドの交差点が“点”となる「点ノード型」と、“線”となる「線ノード型」が存在することが予測されている。これまで発見されたほとんどのトポロジカル物質が点ノード型であり,線ノード型のディラック電子を持つ物質はほとんど見つかっていない。

線ノード型ディラック電子は,点ノード型とは大幅に異なる量子力学的性質をもつことが理論的に提案されているが,実験的に検証した例は殆どなかった。これは,線ノード型ディラック電子を観測することが実験的に困難だったことに一因がある。最近,結晶構造にカルシウム Ca,銀 Ag,リン P またはヒ素 As を持つ CaAgX(X= P,As)という物質が線ノードディラック電子を持つことが研究グループによって予測され,その実証が待ち望まれていた。

今回,共同研究グループは,CaAgAsの高品質単結晶を作製し,KEKの放射光科学研究施設フォトンファクトリー(PF)において,軟X線と外部光電効果を利用した角度分解光電子分光という手法を用いて,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を初めて明らかにした。さらに,この線ノード型ディラック電子が,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明らかにした。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よく知られたトポロジカル絶縁体には無い性質であり,結晶のミラー対称性が新型トポロジカル物質探索の鍵となることを示したもの。

今回の実験は,通常用いられる紫外線ではなく,放射光からの,より波長の短い軟X線を用いることで物質内部のディラック電子の可視化に成功した。今後,高輝度軟X線を用いたトポロジカル物質の実証が急速に進展すると期待されるとしている。

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