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東京工業大学 理学院 物理学系
准教授 平原 徹
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本研究成果のポイント
- トポロジカル絶縁体の表面付近に复数の磁性层を埋め込むことに成功
- トポロジカル表面状態のエネルギーギャップが磁化秩序の発現温度より一桁高い温度で闭じることを実証
- 高温での量子异常ホール効果の実现、デバイス开発に新たな道
概要
東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授は、分子科学研究所の田中清尚准教授、広岛大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、日本原子力研究开発机构の竹田幸治研究主幹、东京大学大学院工学系研究科の小林正起准教授、高エネルギー加速器研究机构 物質構造科学研究所の雨宮健太教授、筑波大学数理物質系の黒田眞司教授、物质?材料研究机构 磁性?スピントロニクス材料研究拠点の佐々木泰祐主幹研究員、ロシア?スペインの理論グループと共同で、トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し、その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序※1の発現する温度より高い温度で闭じることを実証した。
トポロジカル絶縁体とは、物质内部は絶縁体で电流を通さないが、表面には金属状态が存在し、电流を流すことのできる新しい絶縁体であり、「量子物质」※2として注目されている。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性质である磁化秩序を导入することで、输送特性として量子异常ホール効果※3が実现する。磁性トポロジカル絶縁体では表面に存在するディラック电子※4にエネルギーギャップが开くが、これまでの研究では、理论の予想する磁化秩序(磁性)とディラックコーンのエネルギーギャップの相関が実験的に正しいのか明确でなく、论争になっていた。
今回、トポロジカル絶縁体である叠颈2Te3(ビスマステルル化合物)薄膜上にさらに罢别(テルル)と磁性元素惭苍(マンガン)を蒸着したところ、表面近傍に惭苍と罢别が潜り込み、惭苍4Bi2Te7/Bi2Te3という新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ构造※5が形成された。そしてこの物質の表面ディラックコーンのエネルギーギャップは、磁化秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、最終的には闭じることが示された。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され、デバイス応用につながることが期待できる。
本成果は、英国科学誌「Nature Communications(ネイチャー?コミュニケーションズ)」でオンライン掲載された。
研究の背景
物质をトポロジー※6によって分类する考え方は2016年のノーベル物理学赏の受赏対象であり、现在、盛んに研究されている。その代表例がトポロジカル絶縁体であり、物质内部では絶縁体で电流を通さないが、表面には金属状态が存在し、电流を流すことのできる新しいタイプの絶縁体として、超スマート社会実现に向けた「量子物质」として注目を集めている。
トポロジカル絶縁体の表面状態はトポロジーによって保護された、質量のないスピン偏極ディラック電子になっている(図1(a))。磁化秩序を導入すると、金属的であった表面状態にエネルギーギャップが開き、質量のあるスピン偏極ディラック電子へと変化する(図1(b))。これは新たなトポロジカル相であり、電子の輸送特性を測定すると量子異常ホール効果が観測される。しかし量子異常ホール効果が観測される温度は最高でも2 K(－271 ℃)と非常に低い温度にとどまっており、新たな物質開拓が望まれている。
理論的には磁性トポロジカル絶縁体での磁性の発現と、表面ディラック電子にギャップが開くことは相関している。しかしこれまで行われてきた実験では、磁化秩序が発現する温度(Tc)よりはるかに高い温度までディラック電子にギャップが開き続け、消失しない例が多数報告されていた。一方で、Tc以下でもギャップが生じていないケースもあった。また、Tc以下でも温度上昇とともに磁化秩序は弱くなるため、表面状態のギャップの大きさも小さくなりやがて闭じることが予想されるが、そのような詳細な温度依存性が観測されている例もほとんどなかった。それゆえ磁性トポロジカル絶縁体のエネルギーギャップが磁性起源で開いているのではないことさえ示唆されていた。
研究成果
今回、东京工业大学を中心とする研究グループは高品质のビスマステルル(叠颈2Te3)薄膜を作成し、その上にさらに罢别と磁性元素マンガン(惭苍)を蒸着しヘテロ构造を作成し磁性の导入を行った。そして分子科学研究所の极端紫外光研究施设鲍痴厂翱搁と広岛大学放射光科学研究センター贬颈厂翱搁でスピンおよび角度分解光电子分光※7により、この物質の電気的特性を測定した。その結果、このヘテロ構造の表面状態には16 K(－257 ℃)で70 meVのギャップが確かに開いていた(図2(a))。温度を上昇させ詳細な測定を行ったところ、ギャップの大きさは徐々に小さくなり、200 K(－73 ℃)から250 K(－23 ℃)の間で緩やかに闭じることが観測された。
一方、SPring-8の日本原子力研究开発机构管理のビームラインおよび高エネルギー加速器研究机构 物質構造科学研究所 フォトンファクトリーにおけるX線磁気円二色性(XMCD)※8、さらに筑波大学における超伝导量子磁束干渉计(厂蚕鲍滨顿)※9を用いた磁気特性測定により、このヘテロ構造ではTc = 20 K(－253 ℃)で磁化秩序が消失することが分かった。このように磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の表面状態のギャップが、磁気秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、やがて闭じることを世界で初めて観測した。
さらに、物质?材料研究机构での高分解能透过电子顕微镜(罢贰惭)※10を用いた构造解析により、この试料は惭苍原子が试料最表面の叠颈2Te3内部に4层埋め込まれた、惭苍4Bi2Te7/Bi2Te3ヘテロ构造を含むことが分かった(図2(产))。これまでの磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ构造は磁性原子层が1层だけトポロジカル絶縁体の最表面に埋め込まれていたものであり、复数の磁性原子层を埋め込んだものの作成に世界で初めて成功した。これらの结果はロシア?スペインのグループが行った第一原理计算によっても支持された。
本研究に関する各研究机関の役割
| 东京工业大学(代表机関) | 研究のコーディネート、试料作成、スピンおよび角度分解光电子分光测定、齿惭颁顿测定 |
| 分子科学研究所 | 角度分解光电子分光测定 |
| 広岛大学 |
スピンおよび角度分解光电子分光测定 |
| 日本原子力研究开発机构 |
齿惭颁顿测定 |
| 东京大学 | 齿惭颁顿测定 |
| 高エネルギー加速器研究机构 | 齿惭颁顿测定 |
| 筑波大学 |
厂蚕鲍滨顿测定 |
| 物质?材料研究机构 |
罢贰惭観察 |
| ロシア?スペイン理论グループ |
第一原理计算 |
今后の展开
今回の研究は、トポロジカル絶縁体に複数の強磁性層を埋め込む新たな方法を発見し、磁性と表面状態のエネルギーギャップの関係に新たな知見を与えたものである。このアプローチは、従来量子異常ホール効果の研究に用いられてきた、磁性不純物ドープのトポロジカル絶縁体や、1層の磁性層が埋め込まれた磁性トポロジカル絶縁体と大きく異なる。表面ディラックコーンギャップが磁化秩序の発現温度より一桁高い温度まで開いている性質を用いれば、これまで2 Kまでしか実現されていない量子異常ホール効果をより高温で実現できる可能性がある。さらに、そのトポロジカルな性質を生かした極めて薄いナノデバイスの開発の応用研究が加速することが期待できる。
用语解説
(※1) 磁化秩序
隣り合うスピンが同一の方向(强磁性)あるいは反対の方向(反强磁性)を向いて整列している状态。强磁性状态は外部磁场が无くても自発磁化を持つことができ、いわゆる磁石の性质のことである。
(※2) 量子物質
量子とは量子力学によって记述される、粒子と波の性质をあわせ持った、とても小さな物质やエネルギーの単位のことである。量子物质は、特に波としての性质が物质全体に巨视的に顕着に表れているもののことである。
(※3) 量子異常ホール効果
磁场中を电子が动くと、その动きが曲げられる。固体物质ではこの现象をホール効果と呼び、电流にも磁场にも垂直な方向に発生する电圧をホール电圧と言う。物质が强磁性体の场合、磁性体自身が持っている磁化が外部磁场の代わりになることで无磁场でもホール効果が発生する。この现象を异常ホール効果と呼ぶ。また、异常ホール効果によって生じる抵抗が量子化抵抗値に等しくなる现象を、量子异常ホール効果と呼ぶ。この状态では无散逸に电流が流れるので省エネデバイスに応用が期待されている。
(※4) ディラック電子
通常の电子と异なり、英国の物理学者ディラックが1928年に発表した相対论的量子力学に従う电子のこと。トポロジカル絶縁体の表面ではさらにこのディラック电子がスピン偏极している。
(※5) ヘテロ構造
组成元素が异なる2つの固体を接合して形成される构造のこと。
(※6) トポロジー
トポロジーとは、数学の一分野であり、何らかの形を连続変形(伸ばしたり曲げたりすることはするが切ったり贴ったりはしないこと)しても保たれる性质に焦点を当てたものである。例えば、ドーナツとマグカップは穴が一つあるので连続変形によって移り変わることができ同じトポロジーを持つといえる。一方、汤呑み茶碗には穴が开いておらず、异なるトポロジー状态である。
(※7) スピンおよび角度分解光電子分光
固体に光を照射すると物质の表面から电子か?放出される。放出された电子は光电子と呼ばれ、その光电子のエネルキ?ーや运动量、スピン状态を测定すると、物质がどのような电子?スピン状态をとっているかが分かる。
(※8) X線磁気円二色性(XMCD)
物质に左円偏光と右円偏光の2つの异なる偏光の齿线を照射したときの、吸収スペクトルの差分スペクトルのこと。齿惭颁顿スペクトルを解析することで、原子のスピンや轨道磁気モーメントなどの磁気的特性がわかる。
(※9) 超伝導量子磁束干渉計(SQUID)
弱く结合した2つの超伝导体に流れる电流を利用した、极めて弱い磁场の検出に用いられる非常に感度の高い磁気センサの一种。最近注目されている、量子センサの一つである。
(※10) 透過電子顕微鏡(TEM)
薄く微细加工した物质に电子线をあて、透过してきた电子线の强弱から、その物质の构造を観察する顕微镜のこと。
図1: スピン偏極した質量のないディラック電子(a)およびギャップの開いたスピン偏極ディラック電子(b)。赤と青は異なるスピンの向きを持っていることを表している。
図2: 新たに作成に成功したヘテロ構造の表面ディラック電子のバンド構造(a)およびその原子構造(b)
论文情报
- 掲载誌: Nature Communications
- 論文タイトル: Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone
- 著者名: T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev, and E. V. Chulkov
- DOI: 10.1038/s41467-020-18645-9
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