2011年11月10日

質量ゼロの「ディラック電子」に質量を与える技術を開発

2011年11月10日

東北大学大学院の佐藤宇史(さとう たかふみ)准教授、大阪大学産業科学研究所の瀬川耕司准教授と安藤陽一教授、および東北大学原子分子材料科学高等研究機構の高橋隆教授らの研究グループは、スピントロニクスデバイスの新材料として注目されている「トポロジカル絶縁体」における質量ゼロの「ディラック電子」に質量を自在に与える新しい技術を開発しました。

近年発見されたトポロジカル絶縁体は、電気を全く通さない通常の絶縁体とは異なり、物質内部は電気を通さず、表面にだけ電気が流れる特殊な金属状態が現れる物質です(図1)。その鍵となっているのが、物質中で質量ゼロの粒子のように振舞うディラック電子です。ディラック電子は、電流の向きによって、電子のもつ磁石の性質(スピン)を制御できるため、電荷とスピンを制御して利用する次世代の情報通信技術「スピントロニクス」への応用が期待されています。

dirac_image_01.png図1 トポロジカル絶縁体
2次元物質では端を、3次元物質では表面をアップスピンとダウンスピンの電子が逆向きに動く。これらの電子は質量ゼロの粒子(ディラック電子)として振る舞う。

dirac_image_02.jpg図2 トポロジカル絶縁体TlBi(S1-XSeX)2の結晶構造
画像提供:東北大学

研究グループは、昨年発見したトポロジカル絶縁体TlBiSe2(Tl:タリウム、Bi:ビスマス、Se:セレン)と、絶縁体TlBiS2(S:硫黄)を混ぜ合わせた結晶(図2)を育成し、そのバルク(物質内部)および表面の電子のエネルギー状態を、フォトンファクトリーのビームラインBL-28Aと東北大学における光電子分光装置を利用した角度分解光電子分光*によって決定しました(図4)。その結果、TlBiSe2のセレン原子の一部を硫黄原子に置き換えることで、ディラック電子に質量を与えられることを発見しました。さらに、その質量は硫黄の組成比によって自由に制御できることも明らかになりました。

dirac_image_03.jpg図3 ディラック錐状態における電子のエネルギー関係の模式図
エネルギー分散が直線的であるために電子の有効質量がゼロとなり、電子がディラック粒子的な振る舞いを示す。ディラック電子が質量を持つと(左→右)、ディラック錐の上下が分裂してエネルギーギャップが生じる。
画像提供:東北大学

dilac_image_04.gif図4 角度分解光電子分光で測定したTlBi(S1-xSex)2のエネルギー状態
明るい部分が電子の存在する部分を示す。x=1.0ではX字型の形状を示すディラック錐が観測され、それ以外ではX字型の状態が上下に分裂して、エネルギーギャップが生じ、ディラック電子が質量を持つ。
画像提供:東北大学

これは、トポロジカル絶縁体表面におけるディラック電子に、これまでとは全く異なる方法で自在に質量を与えられることを実験的に示した初めての事例です。ディラック電子に意図的に質量を持たせてその運動をを制御する技術は、トポロジカル絶縁体を利用した次世代省エネルギーデバイスや量子コンピューターなどの開発の新たな指針となります。HDDを大容量化させた巨大磁気抵抗効果に代表されるスピントロニクス技術の、新しい展開が期待されています。

本研究成果は、英国の科学雑誌Nature Physics 2011年11月号(オンライン版は8月14日に公開)に掲載されました。ディラック電子が質量を獲得することを表す美しい曲線がこの号の表紙を飾っています。

用語解説

*角度分解光電子分光
物質に光を当てると、光電効果によって光電子が飛び出す。この光電子のエネルギーの放出角度依存性を測定することにより物質中の電子状態を調べる方法。

関連サイト

放射光科学研究施設フォトンファクトリー
高橋研究室
Nature Physics

関連ページ

光電子分光実験ステーション