Home広岛大学大学院理学研究科物理科学専攻
教授 木村 昭夫
罢贰尝：082-424-7400
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東京大学物性研究所 極限コヒーレント光科学研究センター
助教 石田 行章
罢贰尝：04-7136-3381
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本研究成果のポイント
- トポロジカル絶縁体に光を照射した効果をナノ秒域（１ナノ秒：10亿分の1秒）まで持続させることに世界で初めて成功しました。
- いよいよ电気的に検出できるまで持続时间が延びたことで、光、电子デバイス、トポロジカル絶縁体を组み合わせた新しい机能创成への道が拓けます。
- 持続时间を延ばす键は、结晶内部の絶縁性を高めること、および表层にいるディラック电子のエネルギーを制御する2点にあることを解明しました。
概要
広島大学大学院理学研究科 角田一樹JSPS特別研究員（DC1）、広島大学創発的物性物理研究拠点 木村昭夫教授と東京大学物性研究所極限コヒーレント光科学研究センター 辛埴教授、石田行章助教らを中心とする研究グループは、世界最高エネルギー分解能を有する時間?角度分解光電子分光（＊１）装置を用いることで、トポロジカル絶縁体（＊２）における非平衡状態の持続時間が結晶内部の絶縁性とディラック点（＊２）の位置によって支配されていることを実験的に突き止め、結晶の表層にいる質量ゼロのディラック電子の光に対する応答時間を飛躍的に長くすることに成功しました。
トポロジカル絶縁体は、结晶内部は絶縁体にも関わらず、その表面では金属的な状态が存在しています。しかしながら、结晶中に存在する欠陥によって结晶内部も金属的になってしまうことが问题でした。今回、结晶内部の絶縁性をキャリアドーピングにより制御し、各ドープ量での电子构造と超高速キャリアダイナミクスを系统的に追跡しました。その结果、结晶内部が金属的な场合は非平衡状态が数ピコ秒以内で终了するのに対し、絶縁性が高くなると非平衡状态が约100倍长くなることを実験的に初めて実証しました。本研究で得られた知见は、トポロジカル絶縁体の光机能を利用した新しいデバイス开発に大きな指针を与えるものと期待されます。
本研究の成果は、英国Nature Publishing Groupのオンライン科学雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
【用语解説】
＊１．时间?角度分解光电子分光
物质に光を照射すると、光电効果と呼ばれる现象によって、电子が固体表面から放出されます。この放出された光电子のエネルギーと放出角度を测定し、エネルギー保存则と运动量保存则を利用して固体内部の电子のエネルギーと运动量の决定する手法を角度分解光电子分光と言います。
この角度分解光电子分光に、２种类の短パルスのレーザー光源を用いたものを时间?角度分解光电子分光といい、ポンプ光と呼ばれる光パルスによって生じた电子状态の动的変化をプローブ光によってスナップショットとして捉えることができます。
この时间?角度分解光电子分光は、通常の光电子分光では捉えることのできない非占有电子状态（电子が元々いない状态）や电子の超高速ダイナミクスを直接観测することができるため、基础から応用に渡る幅広い分野で有用な実験手法となっています。
＊２．トポロジカル絶縁体?ディラック点
透明なガラスは电気を通さずアルミホイルは电気を通すように、日常生活の中で「电気を通すかどうか」という感覚は物质の色を见るだけである程度判断できてしまいます。また、その自然に身に付いた感覚は、物理的な理由づけも可能であり、透明なガラスは「絶縁体」、アルミホイルは「金属」というように物质中の电子の状态で区别されます。
一方、「トポロジカル絶縁体」に属する物质は特殊で、「絶縁体」でありながら、その表面で金属と同じように电気を流す性质を持つ特殊な物质です。トポロジカル絶縁体の表面に电流を担う电子はスピン（电子の自転）［図1(补)(产)］をそろえて运动し、「光」と同じように质量を持たないのが最大の特徴です。この様子を、横轴を电子の运动量、縦轴を电子のエネルギーとして表すと、右図(肠)の様に、电子エネルギーと运动量が比例関係にあり一般にディラック?コーンと呼ばれる。また、ディラック?コーンの中心にあたる直线が交わる部分はディラック点と呼ばれる。また通常の物质とは异なり、トポロジカル絶縁体の表面を动き回る电子は、普通とは违い、欠陥や不纯物によって邪魔されることなく（エネルギーを损失することなく）伝导ができるというとても魅力的な性质を持っています。
図１．トポロジカル絶縁体の表面电子
図２.时间?角度分解光电子分光によって観测したトポロジカル絶縁体(厂产1-xBix)2Te3の超高速キャリアダイナミクス。
ビスマスをドープしていない场合は非平衡状态が约５ピコ秒以内で缓和しているが、ビスマスのドープ量を増やすと非平衡状态の持続时间が飞跃的に长くなることが明らかとなった。特に、ビスマスを43%ドープした试料では、非平衡状态が４００ピコ秒以上経过しても存続しており、ビスマスをドープしていない试料より约１００倍长い持続时间を観测した。
木村昭夫教授からのコメント
当研究室では2010年よりトポロジカル絶縁体研究を行なっています。大学院生の粘りと物性研との密接な研究の结果、今回初めて「真の」トポロジカル絶縁体のキャリアダイナミクスを明らかにすることができ、今后の展开を大いに期待しております。
论文情报
- 論文タイトル：Prolonged duration of nonequilibrated Dirac fermions in neutral topological insulators
- 着者名：*角田一树1, *石田行章2, 朱思源1, 叶茂3, A. Pertsova4, C. Triola4, K. A. Kokh5, O. E. Tereshchenko5, A. V. Balatsky4, 辛埴2, *木村昭夫1（*责任着者）
- 所属：1 広島大学大学院理学研究科、2 東京大学物性研究所、3 中国科学院上海マイクロシステム情報技術研究所、4 北欧理論物理研究所、5 ノヴォシビルスク大学
- 顿翱滨：10.1038/蝉41598-017-14308-飞
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