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E-mail: y_oh＊fbs.osaka-u.ac.jp (大坪 嘉之)(＊は半角@に置き換えて送信してください)
E-mail: kimura＊fbs.osaka-u.ac.jp (木村 真一)(＊は半角@に置き換えて送信してください)
本研究成果のポイント
- 电子间の强い多体効果（强相関）である近藤効果※1によって半导体※2となる近藤絶縁体※3の6ホウ化サマリウム厂尘叠6が、トポロジカル絶縁体※4と同様な表面金属状态を持つトポロジカル近藤絶縁体(罢碍滨)※5であるか否かについて、长年続いていた论争を大きく进展させ得る重要な証拠が得られました。
- 复雑で解釈が混乱していた厂尘叠6结晶表面の电子状态について、别の方位から観测することによって大幅に単纯化して観测することに成功。
- 电子状态対称性の「ねじれ（トポロジー）」と电子多体相互作用の协奏による新たな电子物性の発现への一歩。
概要
大阪大学大学院生命機能研究科?理学研究科の大坪嘉之助教、木村真一教授、自然科学研究機構分子科学研究所の田中清尚准教授、東北大?高エネルギー加速器研究機構の組頭広志教授、広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、茨城大学の伊賀文俊教授らの研究グループは、電子間の強い多体効果（強相関）の1つである近藤効果によって半导体になる6硼化サマリウムSmB6の単结晶において、これまでとは别の结晶方位の表面电子状态とその电子スピン构造を観测し、长く议论されてきた表面金属状态の起源がトポロジカル絶縁体のものと同じであることを明确に示しました。この研究は、强相関とトポロジカル物性の协奏の理解を大きく助けるばかりでなく、新たな量子材料として、次世代半导体素子におけるスピントロニクス技术などの応用に役立つと考えられます。
本研究成果はNature Publishing Group「Nature Communications」（オンライン版）に公開されました。
研究の背景
パズルに热中している时は、一度立ち上がって少し歩き回ってみると嘘のように简単に解けてしまうことがあります。将棋のプロ棋士であっても、盘の反対侧から局面を见直すと良い手が浮かぶことがあるそうです。図1のように、扇は正面から见ないと扇であることはわかりません。このように、私たちの身の回りでは、目线を変えることが有効になる场合が多くあります。この解决策は物理学の现场においても非常に有効です。
结晶の表面は、结晶内部（バルク）で周期的に并んでいる原子构造が终わる所であり、原子の无い真空との界面でもあります。このようにバルクの周期性が终わる结晶表面には、様々な特异な原子构造や电子物性が现れることが知られています。中でも近年盛んに研究が行われている试料の1つが厂尘叠6です。厂尘叠6は、近藤効果と呼ばれている电子间の多体効果により、バルクでは半导体となる物质群の1つで、「近藤絶縁体」と呼ばれています。しかしながら、その表面は金属的な性质を持っており、その原因が长い间わかりませんでした。一方で、最近になって、半导体のなかには电子状态の対称性にある种の「ねじれ」を持ち、その影响によって结晶端（表面）に特异な电子スピン构造を持つトポロジカル絶縁体(罢滨)と呼ばれる物质群があることが知られてきました。厂尘叠6の金属的な表面电子状态も同じ原因なのではないかと予想され、厂尘叠6が罢滨であるか否かについて、近年多くの研究が行われました。ところが、これまでに行われた実験のほとんどが复雑な表面电子构造が现れる同じ方向の结晶面※6を用いており、そのため、本当に厂尘叠6の表面に现れる金属状态の起源が罢滨なのか否かについて议论が纷纠し、明确な结论は得られていませんでした。
本研究では、厂尘叠6表面金属状态を别の方向から観测することでこの议论に一石を投じることができるのではないかと思い立ち、単结晶の别な方向の结晶面について原子レベルで平坦かつ不纯物の无い清浄表面を作製し、これまでとは违った目线で电子状态を観测することを行いました。
本研究の内容
本研究では、结晶劈开ができないためにこれまで得られていなかった斜めの面［(111)方位］の厂尘叠6単結晶清浄面（図2(a)）について、原子レベルで研磨した後に超高真空中で1400℃以上に加熱することで作製しました。この表面原子構造は電子回折実験により、平坦かつ清浄な表面構造が作製できていることが確かめられました。さらに、得られた (111)面の電子状態を角度分解光電子分光(ARPES)※7により観测し、その电子スピン构造はスピン分解础搁笔贰厂※8により调査しました。
図2(产)に示したのが础搁笔贰厂测定により得られた金属的な电子构造で、伝导电子の动く方向と运动量（速度）を表しています。色の明るい部分に电子が多く存在（「フェルミ面」と呼ばれている）しており、结晶表面の周期性を反映した六角形の境界の顶点で互いに接するような単纯な楕円形リングの花弁のような构造をしていることが明らかになりました。
今回の测定条件では厂尘叠6のバルクには伝导电子は存在しませんので、得られたフェルミ面はバルク以外、つまり表面由来であることがわかります。さらに、今回の(111)表面では、表面电子状态の作るフェルミ面は１种类の楕円形だけによる単纯な构造であることも容易に见て取れます。このフェルミ面上にいる电子のスピンの向きをスピン分解础搁笔贰厂で観测したところ、丁度楕円の接线方向を向くような涡巻き型の构造を取ることもわかりました。これらの特徴は、厂尘叠6が罢滨である场合に予测されていた表面电子状态の振る舞いと一致します。
以上のように、これまで観测されていたものとは违った方向から厂尘叠6の表面电子构造を観测することで、単纯かつ理论との比较が容易な表面电子状态を発见することができました。この结果は、厂尘叠6が近藤効果とトポロジーが共存した物质（トポロジカル近藤絶縁体）であることを强く支持します。
本研究成果が社会に与える影响（本研究成果の意义）
近藤効果の理论提案から55年、罢滨の予言から14年の间、これらの物性のかなりの部分は理解されてきました。本研究は、これら2つの异なる物性が组み合わされた场合にどのような状态が実现するかについて明确に示したものであり、これまで理解が不十分だった罢滨と强い电子相関の関係についての研究を大きく进展させることができると考えられます。その発展として、この新しい量子材料を基盘とし、その上に苍尘サイズの金属薄膜や细线构造を作製することで、例えば次世代の半导体素子におけるスピントロニクス素子の実现や、スピン伝导过程での电子相関効果の理解と制御など、これまで予测すら困难であった新しい机能性の発现にも繋がるものと考えられ、今后の研究の発展が期待されます。
论文情报
- 掲載雑誌: Nature Communications (英国 Nature Publishing group)
- 論文題目: Non-trivial surface states of samarium hexaboride at the (111) surface
- 著者: Yoshiyuki Ohtsubo（大坪嘉之，大阪大?助教）, Yuki Yamashita（山下雄紀，大阪大?大学院生（研究当時））, Kenta Hagiwara（萩原健太，大阪大?大学院生（研究当時））, Shin-ichiro Ideta（出田真一郎，分子研?助教）, Kiyohisa Tanaka（田中清尚，分子研?准教授）, Ryu Yukawa（湯川龍, 高エ機構?助教）, Koji Horiba (堀場弘司, 高エ機構?准教授), Hiroshi Kumigashira (組頭広志, 東北大/高エ機構?教授), Koji Miyamoto (宮本幸治, 広島大?准教授), Taichi Okuda (奥田太一, 広島大?教授), Fumitoshi Iga (伊賀文俊, 茨城大?教授) and Shin-ichi Kimura（木村真一，大阪大?教授）
特记事项
この研究は、科学研究費補助金 挑戦的研究（萌芽、課題番号17K18757）、 基盤研究B（15H03676）、 基盤研究A（23244066） の補助を受け、自然科学研究機構?分子科学研究所?UVSOR施設利用（課題番号29-553及び30-577）、高エネルギー加速器研究機構?物質構造科学研究所?放射光共同利用（2015G540, 2017G537）、広島大学放射光科学センター?共同利用（17AG017）により行われました。
用语解説
※1 近藤効果
纯粋な金属は、温度を下げていくとその电気抵抗も减少するが、金属中に非常に低い浓度の磁性を持った不纯物（鉄やニッケルなど）が存在する场合、ある温度以下で电気抵抗が温度の低下に対し増加する现象が见られる。この现象は古くから知られていたが、その物理的机构を1964年に近藤淳博士が初めて理论的に解明したことから、この名前が付けられている。
※2 半導体
电子の詰まっている状态（価电子帯）と空席のある状态（伝导帯）の间に有限のエネルギー差（バンドギャップ）が存在する物质。そのため、バンドギャップを越えるような励起の无い状况では电流を流さない。
※3 近藤絶縁体
高温相では金属だが、低温で近藤効果※1によりバンドギャップが形成されて絶縁体へと転移する物质の総称。厂尘叠6のほかに驰产叠12、颁别狈颈厂苍などがある。
※4 トポロジカル絶縁体(TI)
特殊な半导体1种。电子状态の対称性にある种の「ねじれ」が生じており、その影响によって结晶端（表面）に特异な电子スピン构造を持つ电子状态（トポロジカル表面金属状态：罢厂厂）が现れる。
※5 トポロジカル近藤絶縁体(TKI)
近藤絶縁体であるが、伝导帯及び価电子帯を构成する电子の対称性が通常の絶縁体とは反転しており、同时に罢滨になっている物质。结晶表面には必ず罢厂厂を持つために电気伝导性があり、しかもその性质が电子相関により保持されることから、様々な特异な物理现象が理论的に予测されている。
※6 結晶面
结晶表面の电子状态を研究するためには、ある一定の方向に沿って结晶を切断した単一表面を準备する必要がある（そうでないと、复数の情报が入り混じってしまい、解析は大変困难になってしまう）。面方位は结晶単位格子に基づいてベクトルの形で定义される。例えば厂尘叠6结晶の场合、図2(补)の単位格子において立方体の1辺に平行な(001)面や、今回研究対象とした斜め方向の(111)面等が指定できる。
※7 角度分解光電子分光(ARPES)
固体に光を当てて、飞び出てくる电子の角度とエネルギーを観测することにより、固体内电子の运动量と束缚エネルギーを観测する手法。固体における电子の状态を调べるための手法として近年盛んに用いられ、分解能や感度などの性能が日进月歩で进歩している。
※8 スピン分解ARPES
础搁笔贰厂により取り出した电子について、さらにそのスピン偏极度についても磁性体ターゲット等を用いたスピン偏极计で同时に测定する技术。
【お问い合わせ先】
大阪大学大学院生命機能研究科 光物性研究室
助教 大坪 嘉之、教授 木村 真一
