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(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
本研究成果のポイント
- 3次元トポロジカル絶縁体叠颈2Te3のトポロジカル表面电子の温度変化を精密测定
- 発热の原因となる原子の热振动による散乱强度を数値化し、その决定要因を初めて解明
- トポロジカル表面电子を活用した省エネルギー电子デバイスへの展开に期待
概要
広島大学大学院理学研究科大学院生のAmit Kumar(博士課程後期3年?現広島大学放射光科学研究センター研究員)、広島大学大学院先进理工系科学研究科大学院生の宮井雄大(博士課程後期1年)、広島大学放射光科学研究センター助教のShiv Kumar、同教授の島田賢也の研究グループは、微小に集光した紫外線レーザーを用いた高分解能角度分解光電子分光(ARPES)実験を行い、典型的な3次元トポロジカル絶縁体として知られるBi2Te3のトポロジカル表面电子が、原子の热振动によりどの程度散乱されるのかを数値化し、それが散乱过程の数で决まることを初めて解明しました。
3次元トポロジカル絶縁体は物质の内部は电気が流れない絶縁体ですが、その表面には电気を流すことができるトポロジカル表面电子が存在します。この表面电子は结晶构造や组成の乱れによる影响を受けにくく、また物质の磁気的な性质の源となる电子のスピンを高速に伝えることができます。电流を担う电子が原子の热振动により散乱されるとジュール热が発生し、エネルギーが失われます。本研究によりトポロジカル表面电子は、电线によく用いられる铜の中の电子に比べても散乱を受けにくいことがわかりました。今后、トポロジカル表面电子を活用した省エネルギーで高速に动作する新しい电子デバイスへの展开が期待できます。
本研究成果は米国物理学会が発行する?Physical Review B?のLetterセクションにおいて2022年9月12日付でオンライン掲載されました。本研究は科学研究費事業(課題番号：22K03495)による支援を受け、広島大学放射光科学研究センター共同研究委員会により採択された研究課題(課題番号：19BG053、20AU019)のもとで実施されました。
研究成果の内容
本研究では叠颈2Te3のトポロジカル表面电子の电子–格子相互作用の结合定数を决めるため、微小领域に集光した紫外线レーザーを用いた高分解能角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)実験を行いました。この実験装置は空间分解能を高めた放射光実験を行うために広岛大学放射光科学研究センターで独自に开発した装置です。この装置を用いると100分の1ミリメートル程度の微小领域の电子の性质を世界最高水準のエネルギー?运动量分解能で测定することができます。
原子の热振动は温度を上げると大きくなるので、本研究では低温(マイナス256℃)から室温(27℃)まで温度を変えながら、精度の高い础搁笔贰厂実験を行いました。电子のエネルギーと运动量の関係を调べると、温度が上がるにしたがってトポロジカル表面电子のエネルギーが上昇し、电気を通さない内部でバンドギャップが减少することがわかりました。バンドギャップの大きさは絶縁体の电子を动かすために必要なエネルギーを与えます。バンドギャップの减少は、トポロジカル表面电子の散乱强度の温度依存性と関係しており、电子–格子相互作用が主要な役割を果たしていることが明らかになりました。
次にトポロジカル表面电子の电子–格子相互作用の结合定数を调べたところ、エネルギーに依存してその大きさが変化し、0.02?0.13の値をとることがわかりました(図2)。この値は、电线に用いられる铜の结合定数0.2や调理でよく使われるアルミニウムの结合定数0.4よりも小さい値であり、原子の热振动の影响を受けにくい、ということがわかりました。さらに结合定数のエネルギー依存性を详しくみると、それが実験で得られたトポロジカル表面电子の散乱强度のエネルギー依存性(図2の破线)とよく対応していることがわかりました。电子の散乱强度は散乱される过程の数と比例することから、结合定数は散乱过程の数に依存していることが初めて明らかになりました。実験结果を理论研究の结果と比较すると、结合定数の大きさやそのエネルギー依存性が定量的にもよく対応しており、本研究结果を里付けるものとなっています。
図1
図2
论文情报
- 掲載雑誌：PHYSICAL REVIEW B Letter
- 論文タイトル："Temperature-dependent band modification and energy dependence of the electron-phonon interaction in the topological surface state on Bi2Te3"
- 著者：Amit Kumar*, Shiv Kumar*, Yudai Miyai, Kenya Shimada* *責任著者
- 掲载日：2022年9月12日(オンライン公开)
- 顿翱滨：10.1103/笔丑测蝉搁别惫叠.106.尝121104
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【お问い合わせ先】
広岛大学 放射光科学研究センター
教授 岛田 贤也
