【研究绍介】物质が秘める无限の可能性を见いだす

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【研究绍介】物质が秘める无限の可能性を见いだす

【研究绍介】物质が秘める无限の可能性を见いだす

黒田健太准教授

トポロジカル絶縁体???物质には、电気を良く通す金属などの导电体、电気をほとんど通さないゴムなどの絶縁体と、その中间の性质を持つシリコンなどの半导体、大きく分けて3つの种类があります。トポロジカル絶縁体はその3つに分类ができない、絶縁体なのに结晶の表面だけは导电体になる特殊な物质です。

热望されていた物质、梦の性质「弱いトポロジカル絶縁体」

　光沢や透明という光学的性质、电気を通す?通さないといった电気的性质など、物质にはさまざまな特徴があります。物性物理学ではこうした性质の発现メカニズムを调べ、新しい物性の创出や制御を目指しています。物性物理学ではあらゆる物质が研究対象なのですが、その中でも、私は「トポロジカル絶縁体」を専门に扱っています。トポロジカル絶縁体とは、金属?半导体?絶縁体に加わる新たな电気的性质の区分のことで、表面にのみ电気が流れる不思议な性质を持っています。

　今回私たちの研究チームが観测に取り组んだのは、トポロジカル絶縁体の特徴が局所的に现れる「弱いトポロジカル絶縁体」と呼ばれるものです。理论的には存在が予想されていましたが、结晶のごく一部にしか性质が発现しないために観测が非常に难しく、これまで発见された例はありませんでした。しかし、ナノ顕微?角度分解光电子分光と呼ばれる実験手法を用いて、物质の电子状态を直接観测することで、我々は世界で初めてこの物质を発见したのです。

放射光を用いた観测装置。中央の机构にある超高真空环境に実験対象となる物质を入れ、その电子状态を観察する

新たな情报技术の突破口を求めて

　なぜ私たちは「弱い」トポロジカル絶縁体の観测に力を注いできたのか。理由は、あらゆる情报デバイスの性能を飞跃的に向上させる可能性を秘めているからです。トポロジカル絶縁体には、表面にスピン流と呼ばれる电子の特别な运动が现れるという特异な性质があります。スピン流は电気抵抗によるエネルギーロスがなく、电力供给が途絶えてもその性质を保ち続ける不挥発性を持っています。これを利用すれば、デバイスの电力消费を大幅に削减できるのです。しかし、これまでの「强いトポロジカル絶縁体」にはあらゆる方向にスピン流が発生してしまい、技术応用が难しいという课题がありました。これに対し「弱いトポロジカル絶縁体」は电子の动きが一方向に制限され安定しており、制御も容易です。実用化の道のりはまだまだ长いですが、新たなデバイス开発に大きく贡献できるでしょう。
　今回、弱いトポロジカル絶縁体として観测できたのはビスマスハライドという物质。実は研究対象として长年扱われていたにもかかわらず、実用性は全く无いと考えられていたものでした。トポロジーという新たな捉え方次第で物质の隠された可能性を见つけられることが物性物理学の面白さの一つ。これからも物质の可能性を模索し、引き出す研究を続けていきます。