原子層の積み木細工によるトポロジカル物質設計 ~世界初となる高次トポロジカル絶縁体の実証~

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2021-01-05 東京大学,東京工業大学,理化学研究所,大阪大学,産業技術総合研究所,科学技術振興機構

ポイント
  • 原子層の積み方の違いでさまざまなトポロジカル相を実現できることを示した。
  • その積み方を上手く選んでスピン流の通り道を変えられる「高次トポロジカル絶縁体」を世界で初めて実証した。
  • 結晶の稜線(ヒンジ)に無散逸となる理想的な一次元スピン流が流れるため、量子計算デバイスへの応用が期待される。

東京大学 物性研究所の野口 亮 大学院生、黒田 健太 助教、近藤 猛 准教授、および東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の笹川 崇男 准教授らの研究グループは、産業技術総合研究所 物質計測標準研究部門 ナノ材料構造分析研究グループの白澤 徹郎 主任研究員、東京大学 大学院工学系研究科の有田 亮太郎 教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー兼任)、東京大学 大学院工学系研究科の平山 元昭 特任准教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター ユニットリーダー兼任)、大阪大学 大学院理学研究科の越智 正之 助教らの研究グループと共同で、擬一次元積層物質における高次トポロジカル絶縁体の実現を、ビスマス臭化物BiBr(Bi:ビスマス、Br:臭素)を用いた実験から明らかにしました。

高次トポロジカル絶縁体は、近年その存在が理論的に予想された新しい量子相です。これまで三次元結晶での実現は確認されておらず、実験によるその検証が待ち望まれていました。今回、本共同研究グループは、その実現に向け、トポロジカル原子層を自在に組み換えられる擬一次元ビスマスハライドBi(X:ヨウ素(I)または臭素(Br))に着目し、その積層の取り方によってさまざまなトポロジカル量子相を実現できる物質設計指針を提案しました。その中でも特徴的な積み木構造を有するBiBrに対して、角度分解光電子分光法を用いた電子状態の直接観測を行った結果、この物質が世界初となる高次トポロジカル絶縁体であることを実証しました。高次トポロジカル絶縁体では、結晶の特定の稜線(ヒンジ)に沿って、無散逸となる理想的な一次元スピン流が安定して流れるため、本研究によって、高次トポロジカル絶縁体を利用した省電力スピン流デバイスや量子計算デバイスへの応用の道が拓かれました。

本成果は、2021年1月4日(英国時間)に英国科学誌「Nature Materials」にオンライン掲載される予定です。

なお、本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST「二次元機能性原子・分子薄膜の創製と利用に資する基盤技術の創出」研究領域における研究課題「トポロジカル量子計算の基盤技術構築」(課題番号JPMJCR16F2)、日本学術振興会 科学研究費(課題番号JP18J21892、JP18H01165、JP18K03484、JP19H02683、JP19F19030、JP19H00651)、文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP課題番号JPMXS0118068681)、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラム「量子物質の創発と機能のための基礎科学―「富岳」と最先端実験の密連携による革新的強相関電子科学」(課題番号:hp200132)の助成を受けて実施されました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Evidence for a higher-order topological insulator in a three-dimensional material built from van der Waals stacking of bismuth-halide chains”
DOI:10.1038/s41563-020-00871-7
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
近藤 猛(コンドウ タケシ)
東京大学 物性研究所 准教授

笹川 崇男(ササガワ タカオ)
東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所 准教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
東京大学 物性研究所 広報室
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
東京工業大学 総務部 広報課
理化学研究所 広報室 報道担当
大阪大学 理学研究科 庶務係
産業技術総合研究所 広報部 報道室
科学技術振興機構 広報課

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