東大ら,ワイル粒子で表面伝導の量子化を観測

東京大学と理化学研究所(理研)は,トポロジカル半金属と呼ばれる新しいトポロジカル物質の高品質薄膜において,トポロジカル半金属に特徴的な物質表面の伝導を観測し,その表面伝導が量子化する現象を発見した(ニュースリリース)。

トポロジカル物質の中でも,近年新しく発見された「トポロジカル半金属」では,伝導電子が「ワイル粒子」として振る舞うため,特異な電気伝導の発現が理論的に予測されてきた。しかし,従来は物質表面の伝導が観測できるほど品質の高い薄膜が作製できず,その開発が望まれていた。

これまで,十分な厚みをもつCd3As2薄膜の作製においては,高い平坦性・結晶性を実現することが難しいという課題があった。そこで今回の研究では,高温加熱による独自の成膜手法を改良することで,世界最高の品質をもつトポロジカル半金属薄膜の作製した。磁場中で測定した電気抵抗のシュブニコフ・ドハース振動を解析した結果,物質内部の状態である三次元的なフェルミ面による伝導に加えて,物質表面の状態に由来した二次元的な伝導が現れることを観測した。

また,高磁場領域では,この表面伝導が量子ホール効果を示すことを発見した。この表面伝導は,化学置換によって電子構造をトポロジカル半金属から通常の絶縁体へと変化させたり,膜厚の制御によって量子閉じ込め効果を与えたりすることで消失することから,トポロジカル半金属特有の表面状態によるものであることを解明した。

さらに,電界効果によってキャリア濃度の制御を行ないながら電気伝導を測定した結果,トポロジカル半金属薄膜における表面伝導は物質内部の状態と独立ではなく,ワイル粒子をもつ内部の状態を介した形で実現していることを世界で初めて明らかにした。このことは,表面状態が途中で途切れているため,物質内部を介して表(おもて)面と裏面における円弧状の表面状態を行き来する三次元的なワイル軌道伝導を反映していると解釈できるいう。

研究グループは,今回の結果は二次元の系でのみ実現されてきた量子化伝導が,ワイル粒子をもつトポロジカル半金属では三次元の系に拡張できる可能性を示し,今後,従来は不可能であった三次元方向の非散逸伝導を利用することで,低消費電力エレクトロニクスの実現に役立つことが期待できるとしている。

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