東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の三石夏樹大学院生、同研究科附属量子相エレクトロニクス研究センターの石坂香子教授らの研究グループは、同研究科物理工学専攻のMohamed Saeed Bahramy主幹研究員、求幸年教授らの研究グループ、高エネルギー加速器研究機構の組頭広志教授らの研究グループ、広岛大学放射光科学研究センターの奥田太一教授らの研究グループ、大阪大学大学院基礎工学研究科物質創成専攻の石渡晋太郎教授らのグループと共同で、VTe2(V:バナジウム、Te:テルル)の電子構造を実験?理論の両面から解明し、电荷密度波の形成とともにトポロジカルな性質が変化する現象を発見しました。
近年、数学におけるトポロジー(位相几何学)の概念を物质中の电子构造に适用することで分类される「トポロジカル物质」への関心が高まっています。トポロジカル物质においては、固体内部とは异なる特殊な电子状态が表面に存在し、これによって新しい电気的?磁気的特性が出现します。このようなトポロジカル物质を実现するには、固体中の电子构造が真空とは异なるトポロジー、すなわちメビウスの轮のような「ねじれ(バンド反転と呼ばれる)」を持つことが重要です。このような「ねじれ」は通常、物质の构成元素を変えたり强い圧力や歪みを加えたりすることで作ることができますが、この翱狈/翱贵贵を超高速で切り替えるためには、电场や光などを用いた制御が求められます。
本研究グループは、迁移金属カルコゲナイドの一种である痴罢别2を対象とし、スピン分解?角度分解光电子分光法(注3)と第一原理计算(注4)を用いて、固体内部や表面における電子構造を詳細に調べました。その結果、电荷密度波が形成されると固体内部の電子構造が大きく変化し、それに伴ってトポロジカルな表面状態が一部消失することが明らかとなりました。今回の発見は电荷密度波とトポロジカルな性質を合わせ持つ新しいタイプのトポロジカル物質の開発へ新たな指針を提唱するとともに、今後のトポロジカル物性制御に向けた前進に貢献することが期待されます。
本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
本研究の一部は、日本学術振興会 科学研究費(JP17H01195, JP19H05826)、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業(JPMJCR16F1, JPMJCR16F2)などの支援を受けて行われました。
角度分解光電子分光測定によって得られた、高温?一様相(左)と低温?电荷密度波相(右)における電子構造。电荷密度波が形成されると、一部のV字型のバルク状態が平坦な形状へと変化し(ピンク曲線)、それに伴いトポロジカル表面状態(水色破線)が消失する。平坦なバルク状態は、バナジウム原子の特定のd軌道が3個連なった三量体を形成することにより生じることが示された(下図)。
(※1) 电荷密度波
結晶中の電子の密度(濃淡)が特定の周期で波状に分布する状態を指します。一般に电荷密度波状態では電子密度とともに結晶構造も波状の変調を受け、結晶の周期性や対称性も変化します。
(※2) トポロジカルな性質
トポロジーとは、数学分野における図形の分类に関する学问を指す用语です。例えばドーナツとマグカップはどちらも穴が一つであるという点で、トポロジカルに同じものと分类されます。物质の持つトポロジカルな性质もその电子构造を调べることにより同様に分类することができます。
(※3) スピン分解?角度分解光電子分光法
物质にある一定以上のエネルギー(この値は仕事関数と呼ばれ、物质ごとに固有の値をとります)をもつ光を照射すると光电子が放出されます(この现象は外部光电効果と呼ばれます)。放出された光电子には物质内における电子构造の情报が含まれており、角度分解光电子分光法は物质に単色光を照射した际に光电効果で放出される光电子の运动エネルギーと放出角度を测定することで物质の电子构造を明らかにする手法です。スピン分解?角度分解光电子分光法では加えてスピン検出器を用いて光电子のスピンの向きを测ることで、物质中における电子スピンの向きも决定できます。
(※4) 第一原理計算
量子力学の基础方程式に基づいて、実験で得られる経験的な値を用いることなく、结晶构造のみから物质の电子状态や物性を计算する手法を指します。
&濒迟;研究に関すること&驳迟;
东京大学工学系研究科物理工学専攻
大学院生 三石 夏樹
TEL: 03-5841-7903
E-mail: mitsuishi＊sssi.t.u-tokyo.ac.jp
(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
东京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター
教授 石坂 香子
TEL: 03-5841-6849
E-mail: ishizaka＊ap.t.u-tokyo.ac.jp
(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
広岛大学放射光科学研究センター
教授 奥田 太一
罢贰尝:082-424-6293
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(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
&濒迟;报道に関すること&驳迟;
国立大学法人広島大学 財務?総務室広報部広報グループ
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(注：＊は半角蔼に置き换えてください)
掲載日 : 2020年05月18日
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