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広岛大学大学院先进理工系科学研究科のヌルママト?ムニサ助教、木村昭夫教授の研究グループと、広岛大学放射光科学研究センターの宫本幸治准教授、奥田太一教授、岛田贤也教授の研究グループは、东京大学物性研究所、スペイン?ロシア?アゼルバイジャンの研究グループとの国际共同研究として、広岛大学放射光科学研究センターにて高辉度シンクロトロン放射光(※1)やレーザー光を利用した角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)法(※2)を用いて相変化材料(※3)として知られる骋别厂产2Te4化合物の详细なバンド构造を観测したところ、ディラック电子(※4)が电気伝导を担っていることを世界で初めて明らかにしました。さらに东京大学物性研究所の时间?角度分解光电子分光を用いて、同化合物の电子状态がトポロジカル絶縁体(※5)と同様のものであることを初めて明らかにしました。本研究成果により、相変化材料骋别厂产2Te4がグラフェン(※4)に代わる新しい材料として超高速次世代デバイスへ等の応用が期待されるだけでなく、全く新しい量子现象を観测する舞台になることも期待されます。
本研究の成果は、米国の科学雑誌「ACS Nano」に掲載されました。
図1. (左)相変化材料GeSb2Te4の结晶相の构造。(中央)角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)による実験结果。直线的なエネルギーバンドがフェルミレベルを横切っている様子がわかります。(右)本研究成果から得られた骋别厂产2Te4の结晶相のバンド构造の全体図(模式図)。结晶内部(バルク)の电子はグラフェンと同様にディラックコーンを形成しフェルミレベルを横切っています。また小さなエネルギーギャップの中に、トポロジカル絶縁体と同様のスピン分极したトポロジカル表面バンドが存在しています。
(※1) シンクロトロン放射光
光の速度(地球を一秒间に7週半する速さ)までに电子を加速し、磁场でその进行方向を曲げると、同时に进行方向に强力な光が放出されます。これがシンクロトロン放射光です。宇宙では星云の中に放射光を见つけることができますが、地上では専用の加速器が必要です。シンクロトロン放射光は、人类が手に入れた最も强力な光で「梦の光」とも呼ばれます。本実験は広岛大学放射光科学研究センターで行われました。当施设は国立大学法人としては唯一の放射光施设で、数多くの国内外ユーザーが利用する、共同利用?共同研究拠点です。
(※2) 角度分解光電子分光(ARPES)
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関係を示すエネルギーバンドを决定する手法を角度分解光电子分光と言います。光源としてシンクロトロン放射光(※1)やレーザー光などが用いられます。英語ではAngle Resolved Photoelectron Spectroscopyを略して通称ARPESと呼ばれます。
(※3) 相変化材料、アモルファス
固体は、食塩のように原子が规则的に配列した「结晶」と、窓ガラスのように原子が不规则になっている「アモルファス(非晶质)」に大きく分けられます。相変化材料は、このような结晶相とアモルファス相を加热温度によって自在に変えることのできる材料です。これまでゲルマニウム(骋别)、アンチモン(厂产)、テルル(罢别)で构成される相変化材料が结晶相とアモルファス相の间で光の反射率が大きく変化することから光记録デバイスに応用されてきました。またアモルファス相は电気抵抗率が高く半导体的になるのに対し、结晶相で电気抵抗率がアモルファス相の1万分の1以下に低下するという特徴があります(図2参照)。この特徴を活かして、相変化メモリと呼ばれる不挥発性の记忆素子への応用も考えられています。
(※4) ディラック電子とグラフェン
結晶中の電子は周期ポテンシャルを感じながら運動することにより幅のあるエネルギーバンドを形成します。一般に電子の運動エネルギーEは、運動量pを用いてE =p2/2尘*(尘*は有効质量)とあらわすことができ、縦轴に贰、横轴に辫をとるエネルギーバンドが放物线型になります。一方、炭素原子一层だけからなるグラフェンの场合、2つのエネルギーバンドが1点で交差し、その交差点の近くではエネルギー贰が辫に比例し、线形のエネルギーバンドを持ちます。これは质量のない光子(粒子としての光)と同じ関数のかたちをとることから、グラフェンにも质量ゼロの电子が存在するということになります。このような线形のエネルギーバンドは、物理学者ポール?ディラックが提唱した相対性理论に基づいた方程式で説明できるため、ディラック电子と呼ばれます。
グラフェンは、曲げやすくて壊れにくいという机械的な性质だけでなく、みかけの质量がゼロであるディラック电子を有する点で基础?応用の観点から注目され世界中で研究が展开されてきました。结晶中には、少なからず欠陥や不纯物が存在し、一般には伝导电子がそれらにぶつかることで电気抵抗が生じます。ところが、グラフェン中のディラック电子は不纯物や欠陥をものともせず「动き続ける」性质があります。その结果、グラフェンは室温付近であっても高い电子移动度(ある一定の电场でどれだけ电子が大きな加速度を得ることができるかを表す「电子の移动のしやすさ」)を示し、次世代デバイスの最有力候补として注目を浴びていました。
(※5) トポロジカル絶縁体
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はスピン分极した表面バンド(トポロジカル表面バンド)が存在し、电流を担う电子はスピン(电子の自転)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。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2. 相変化材料のアモルファス相(左)と結晶相(右)の模式図。アモルファス相では電気抵抗率が大きく、半導体的であるのに対し、結晶相では電気抵抗率が数桁低く金属的に振る舞う。
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究A「非共型な結晶対称性を持つ強相関物質の電子状態観測とトポロジーの解明(課題番号: 18H03683、研究代表者:木村昭夫)」、同基盤研究S「トポロジカル相でのバルク?エッジ対応の多様性と普遍性: 固体物理を越えて分野横断へ(課題番号: 17H06138 、研究代表者:初貝安弘)」などの支援を受けて行われました。
&濒迟;研究に関すること&驳迟;
広岛大学大学院先进理工系科学研究科物理学プログラム
教授 木村 昭夫
TEL: 090-6346-5384
E-mail: akiok＊hiroshima-u.ac.jp
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
&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
TEL: 082-424-3749
Email: koho＊office.hiroshima-u.ac.jp
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2020年07月10日
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