新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の作成に成功-磁性とトポロジカル物性の協奏現象に新たな知見-

新たに作成に成功したヘテロ構造の表面ディラック電子のバンド構造(a)およびその原子構造(b)

 

  • 東京工業大学
  • 分子科学研究所
  • 広島大学
  • 日本原子力研究開発機構
  • 東京大学 大学院工学系研究科
  • 高エネルギー加速器研究機構
  • 筑波大学

 

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授は、分子科学研究所の田中清尚准教授、広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、日本原子力研究開発機構の竹田幸治研究主幹、東京大学大学院工学系研究科の小林正起准教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の雨宮健太教授、筑波大学数理物質系の黒田眞司教授、物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点の佐々木泰祐主幹研究員、ロシア・スペインの理論グループと共同で、トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し、その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序の発現する温度より高い温度で閉じることを実証した。

トポロジカル絶縁体とは、物質内部は絶縁体で電流を通さないが、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しい絶縁体であり、「量子物質」として注目されている。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性質である磁化秩序を導入することで、輸送特性として量子異常ホール効果が実現する。磁性トポロジカル絶縁体では表面に存在するディラック電子にエネルギーギャップが開くが、これまでの研究では、理論の予想する磁化秩序(磁性)とディラックコーンのエネルギーギャップの相関が実験的に正しいのか明確でなく、論争になっていた。

今回、トポロジカル絶縁体であるBi2Te3(ビスマステルル化合物)薄膜上にさらにTe(テルル)と磁性元素Mn(マンガン)を蒸着したところ、表面近傍にMnとTeが潜り込み、Mn4Bi2Te7/Bi2Te3という新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造が形成された。そしてこの物質の表面ディラックコーンのエネルギーギャップは、磁化秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、最終的には閉じることが示された。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され、デバイス応用につながることが期待できる。

 

本成果は、2020年 9月24 日に、英国科学誌「Nature Communications(ネイチャー・コミュニケーションズ)」にオンライン掲載された。

 

 

研究成果のポイント

  • トポロジカル絶縁体の表面付近に複数の磁性層を埋め込むことに成功
  • トポロジカル表面状態のエネルギーギャップが磁化秩序の発現温度より一桁高い温度で閉じることを実証
  • 高温での量子異常ホール効果の実現、デバイス開発に新たな道

 

詳しくは  プレスリリース をご参照ください。