世界最高品質の単元素トポロジカル・ディラック半金属を実現

2021-10-152021-10-16

新しいトポロジカル電子材料と量子デバイス技術のプラットフォーム形成に道

新しいトポロジカル電子材料と量子デバイス技術のプラットフォーム形成に道

2021-10-15 東京大学,福島工業高等専門学校,科学技術振興機構

ポイント

原子レベルで制御可能な結晶成長法を駆使し、世界最高品質の単結晶ダイヤモンド型結晶構造を持つα－スズ（α－Ｓｎ）薄膜をＩＩＩ－Ｖ族半導体上に作製することに成功しました。
量子輸送測定と解析により、α－Ｓｎがトポロジカル・ディラック半金属であること、膜厚を薄くすると２次元トポロジカル絶縁体および通常の絶縁体になるなど、多様なトポロジカル相を持つことを示しました。
α－Ｓｎ薄膜は、材料物性の良い制御性、主要な半導体との整合性、環境にやさしい単元素構造から、トポロジカル物性機能の開拓と将来の量子情報デバイスのための新しいプラットフォームとして大きく期待されます。

東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構のＬｅＤｕｃＡｎｈ（レデゥックアイン）助教、電気系工学専攻の高瀬健吾氏（研究当時修士２年）、瀧口耕介氏（博士３年）、田中雅明教授のグループは、福島工業高等専門学校の千葉貴裕講師、小田洋平准教授との共同研究で、世界最高品質のα－スズ（α－Ｓｎ）薄膜をＩＩＩ－Ｖ族半導体インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）基板（００１）上に結晶成長（エピタキシャル成長）させることに成功し、α－Ｓｎ薄膜のさまざまなトポロジカル物性を初めて明らかにしました。Ｓｎはケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）と並んで、ＩＶ族元素の１つですが、ＳｉやＧｅと同じダイヤモンド型結晶構造を持つα相（α－Ｓｎ）の場合には禁制帯幅がゼロであり、強いスピン軌道相互作用を持つことにより伝導帯と価電子帯が反転する特異なバンド構造を持つなど、さまざまな興味深い物性を有しています。このα－Ｓｎ薄膜にゆがみを加えると、面内格子定数が引っ張られる場合（伸張歪）にはトポロジカル絶縁体となりますが、逆に縮められる場合（圧縮歪）にはトポロジカル・ディラック半金属となることが理論上知られています。特にトポロジカル・ディラック半金属は、他のさまざまなトポロジカル相に転移できる親の相（ｐａｒｅｎｔｐｈａｓｅ）として重要な材料ですが、これまで実験で確認された例が非常に少なく、Ｎａ_３ＢｉとＣｄ_３Ａｓ_２しかありません。α－Ｓｎは単純な単元素構造でありながら外部制御によりさまざまなトポロジカル物質になりうるため、トポロジカル物性の探索や量子情報デバイスへの応用に適しており非常に有望な材料です。しかし、これまでの研究では品質の良いα－Ｓｎ薄膜の作製が極めて困難であったため、理論的に予測・期待された性能が実現されておらず、実際の物性や機能は不明なままでした。

研究グループは、最先端の分子線エピタキシー法を用いてさまざまな膜厚のα－Ｓｎ薄膜を成長させ、完璧なダイヤモンド型単結晶構造と界面の原子層レベルまでの平坦さを持つ最高品質のα－Ｓｎ薄膜を作製することに初めて成功しました。その結果、磁場をかけたときの電気伝導度の振動（シュブニコフ・ド・ハース振動）をさまざまな温度で明瞭に観測しました。この実験結果を解析することによりα－Ｓｎのフェルミ面が横断するバルクと表面バンドの有効質量、量子移動度、ベリー位相シフトなど、さまざまな重要なバンド構造の情報を初めて実測しました。研究グループが作製したα－Ｓｎの量子移動度は、３０，０００平方センチメートル/ボルトセック（ｃｍ^２／Ｖｓ）程度であり、先行研究に比べて１０倍も高い値であることが分かりました。また、α－Ｓｎのバルクバンドと表面バンド両方に特徴的な線形なバンド分散を持つディラック電子が存在することが判明しました。この結果から、ＩｎＳｂ（００１）上で成長したα－Ｓｎが数少ないトポロジカル・ディラック半金属であることを、世界で初めて量子輸送測定を用いて実証したことになります。さらに、α－Ｓｎ試料の膜厚を薄くしていくと、電子状態の量子閉じ込め効果によりα－Ｓｎがトポロジカル・ディラック半金属から２次元トポロジカル絶縁体、そして通常の絶縁体に相転移することも明らかにしました。

本研究により、α－Ｓｎは単純なダイヤモンド型結晶構造、主要な半導体との良い整合性を持ち、かつ環境にやさしい単元素材料であり、将来のトポロジカル物性と新機能量子デバイス開発のための有望なプラットフォームとして大きく期待される材料であると言えます。

本研究成果は、２０２１年１０月１４日（日本時間）に科学誌「ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ」（オンライン版）に掲載されました。

本研究は、科学研究費補助金、科学技術振興機構さきがけ（Ｎｏ．ＪＰＭＪＰＲ１９ＬＢ）およびＣＲＥＳＴ（Ｎｏ．ＪＰＭＪＣＲ１７７７）、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Ｓｐｉｎ－ＲＮＪ）の支援を受けて行われました。

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