安定して存在するトポロジカルなキラル量子細線を発見 ~量子ビットや高効率太陽電池への応用に期待~

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2024-06-06 東北大学

大学院理学研究科物理学専攻
助教 中山耕輔(なかやまこうすけ)

材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史(さとう たかふみ)

【発表のポイント】

  • 黒鉛を薄くしてグラフェン(注1にすると性質が変化するように、トポロジカル絶縁体(注2も薄くすると性質が劇的に変わることが予想されています。
  • テルル(Te)からなる原子レベルで細い線(量子細線(注3)が、1次元トポロジカル絶縁体であることを明らかにしました。
  • 量子コンピューターで処理する情報の最小単位である量子ビットや高効率太陽電池といった応用につながる可能性があります。

【概要】

金属、絶縁体、半導体に次ぐ固体の新しい状態であるトポロジカル絶縁体は、次世代の超低消費電力デバイスへの応用が期待されており、その基礎となる理論研究に2016年のノーベル物理学賞が授与されるなど、大きな注目を集めています。また、グラフェンの発見(2010年ノーベル物理学賞)を契機に、新しい機能性材料として、原子1個から数個分の厚さの薄膜や量子細線の研究が世界中で進められています。究極的に小さな量子細線のトポロジカル絶縁体は、これら固体物理の重要テーマが交差する領域の興味深い研究対象であり、理論的には研究されていますが、安定して存在する理想的な物質が見つかっておらず、実際の物質での計測結果などをもとにした性質の理解は進んでいません。東北大学、大阪大学、京都産業大学、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構の共同研究グループは、ガスクラスターイオンビーム(GCIB)(注4)と高輝度放射光(注5)を用いた実験と理論計算により、テルルの量子細線が1次元トポロジカル絶縁体であることを明らかにしました。この成果は、バルク結晶(3次元)や薄膜(2次元)形状をした既存のトポロジカル絶縁体とは異なる性質が期待される1次元トポロジカル絶縁体の基礎研究の進展に加えて、量子ビット(量子コンピュータ)や高効率太陽電池などの実現に道を拓くものです。本研究成果は2024年6月6日、科学誌Natureに掲載されました。

安定して存在するトポロジカルなキラル量子細線を発見 ~量子ビットや高効率太陽電池への応用に期待~

図1. トポロジカル絶縁体の次元性による違いの概略図。
(a)バルク結晶(3次元)のトポロジカル絶縁体では、ディラック電子に由来する金属的な伝導が表面で起こります。赤い矢印と青い矢印は、スピン偏極の異なる電子が逆向きに伝導する様子を表しています。
(b)薄膜状(2次元)のトポロジカル絶縁体では、表面は絶縁体的な状態で、端に金属伝導(エッジ状態)が生じます。
(c)細線状(1次元)のトポロジカル絶縁体では、細線の断面に点電荷(束縛状態)が現れると予測されています。

【用語解説】

注1. グラフェン:
炭素が蜂の巣のような六角形の網の目状につながったシート状の物質です。黒鉛(グラファイト)を、非常に薄く剥がすなどして得ることができます。グラフェン内の電子は、ディラック電子と呼ばれる特殊な電子状態(エネルギーと運動量の関係)を持ちます。

注2. トポロジカル絶縁体:
位相幾何(トポロジー)の概念を物質の電子状態の解析に取り入れることで、これまでの絶縁体とは一線を画す、内側は絶縁体で表面だけ金属的な性質を示す新しい絶縁体物質として2005年に提唱されました( L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95(2005) 146802.)。その表面には、不純物に邪魔されにくいディラック電子状態が形成されます。

注3. 量子細線:
物質をナノメートル(ナノは10億分の1)スケールまで小さくすると、物質中の電子が量子力学に基づいた効果を顕著に表すようになります。量子効果を表す0次元の点状物質を量子ドット(量子箱)、1次元の線状物質を量子細線、2次元の面状物質を量子井戸と呼びます。

注4. ガスクラスターイオンビーム(GCIB):
原子や分子の数千個程度の集合体(クラスター)をイオン化したビーム。物質表面にGCIBを照射した際、クラスターを構成する原子・分子と物質を構成する原子の多体衝突が起こり、それに付随して、表面を清浄かつ平坦にすることができます。

注5. 放射光:
円形の加速器内を周回運動する数GeV(ギガ電子ボルト)の高いエネルギーを持つ電子が、磁場によって軌道を曲げられたときに発生する指向性の高い電磁波を放射光と呼びます。赤外線から可視光(ヒトが見ることのできる光、動物種によって見ることの出来る光の波長は異なっています)、紫外線、X線、γ線に至るまでの、幅広い波長の電磁波が加速器から発生されます。そのため、放射光の用途も広く、材料科学、デバイス開発、環境科学、医学、生物学、考古学、科学鑑定など多くの分野で、物質、材料、化学物質、生物、食物などについて、原子や分子の構造や元素の状態の精密な分析が行われています。

詳細(プレスリリース本文)

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 中山耕輔(なかやまこうすけ)

東北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史(さとう たかふみ)

(報道に関すること)
東北大学大学院理学研究科広報・アウトリーチ支援室

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