東大ら,「弱い」トポロジカル絶縁体状態を直接観察

東京大学,東京工業大学は,産業技術総合研究所,理化学研究所,大阪大学らと共同で,擬一次元の結晶構造を持つビスマスヨウ化物β-Bi4I4(Bi:ビスマス,I:ヨウ素)において,「弱い」トポロジカル絶縁体相を世界で初めて観測した(ニュースリリース)。

「スピントロニクス」においては,限りなく速い速度で(超高速),レーザーのごとく直進し(超指向性),情報を失うことなく伝達する(完全無散逸)スピン流が理想となる。「弱い」トポロジカル絶縁体は,それを実現すると理論的に予想されていた。

スピン流が結晶側面のみで伝導する「弱い」トポロジカル絶縁体は,通常の絶縁体と同様の結晶表面と,トポロジカル絶縁体の特徴が顕在化する結晶表面との組み合わせで物質が構成される。このような性質を検証するためには,各結晶表面の電子状態をそれぞれ独立に測定する必要があった。しかし,それを可能にする候補物質が無かっただけでなく,特別な実験技術が必要であったため,「弱い」トポロジカル絶縁体の実証はされていなかった。

今回,研究グループは,擬一次元の結晶構造を有するβ-Bi4I4について,放射光を用いたナノ顕微・ 角度分解光電子分光装置を利用することで,「弱い」トポロジカル絶縁体の表面電子状態を直接観測した。ナノ顕微・角度分解光電子分光装置は,試料に照射する光を極限まで集光することで達せられる数100nmの空間分解能を武器に,薄い試料で制約を受ける微小側面に対しても,その電子状態を直接観測できる。

この実験の結果,結晶の上面の電子状態は通常の絶縁体と同じである一方で,結晶側面のみにトポロジカル絶縁体としての性質が現れていることを発見した。さらに「弱い」トポロジカル絶縁体では,トポロジカル表面電子状態が結晶側面に閉じ込められた結果,指向性が極めて高いスピン流が流れていることが明らかになった。

これまで見つかっていた「強い」トポロジカル絶縁体では,スピン流が結晶表面を放射状に流れ,拡散されるスピン状態の散逸も強く,効率よくスピン流を取り出すことができない。しかし,「弱い」トポロジカル絶縁体の側面では,スピンを担う電子の質量がゼロで移動度が極めて高い(つまり超高速)ことはもとより,超指向性を持ち,散乱も受けないほぼ無散逸なスピン流が流れている。

併せて研究グループは,室温付近で結晶の冷却速度を制御することで,「弱い」トポロジカル絶縁体のβ-Bi4I4が,通常の絶縁体であるα-Bi4I4に構造相転移して,スピン流のON/OFF制御が可能であることも実証した。

研究グループは,今回の研究により,レーザー照射で情報を可逆的に書き換えが可能なDVDの「スピントロニクス」版も可能であり, トポロジカル物性の真髄とも言える無散逸スピン伝導を利用した,次世代のスピントロニクス技術に新展開をもたらすことが考えられるとしている。

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