トポロジカル絶縁体で電気磁気効果を初めて観測 －トポロジーを利用した電子輸送に関する基本原理を実証－

トポロジカル絶縁体で電気磁気効果を初めて観測－トポロジーを利用した電子輸送に関する基本原理を実証－

2023年1月20日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　塚﨑敦

【概要】

理化学研究所（理研）创発物性科学研究センター强相関量子伝导研究チームの川村稔専任研究员、十仓好纪チームリーダー（东京大学卓越教授／东京大学国际高等研究所东京カレッジ）、强相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクタ―（东京大学大学院工学系研究科教授）、强相関理论研究グループの永长直人グループディレクタ―（东京大学大学院工学系研究科教授）、东京大学大学院工学系研究科の森本高裕准教授、东北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授（理研创発物性科学研究センター强相関界面研究グループ客员主管研究员）らの共同研究グループは、磁性トポロジカル絶縁体^[1]の积层薄膜における电気磁気効果^[2]を初めて観测しました。

本研究成果は、トポロジー（位相几何学）を利用した新しいタイプの电子输送に関する基本原理を実証したものであり、トポロジカル物质の応用研究への展开が期待できます。

今回、共同研究グループは、トポロジカル絶縁体^[1]の(Bi, Sb)₂Te₃（叠颈：ビスマス、厂产：アンチモン、罢别：テルル）と、それに磁性元素である颁谤（クロム）や痴（バナジウム）を添加した磁性トポロジカル絶縁体の积层薄膜を独自に开発し、试料に加える磁场を変化させると、それに応答して电流が流れることを観测しました。これは、ロバート叠.ラフリン教授（1998年ノーベル物理学赏受赏）が理论的に提唱した「ラフリン电荷ポンプ^[3]」と呼ばれる现象の観测に相当します。

本研究は、科学雑誌『Nature Physics』オンライン版（1月19日付：日本時間1月20日）に掲載されました。

磁性トポロジカル絶縁体表面で生じるラフリン电荷ポンプの概念図

【用语解説】

[1] トポロジカル絶縁体、磁性トポロジカル絶縁体
トポロジカル絶縁体は固体内部では电気を流さない絶縁体であるが、物质表面でのみ电気を流す金属として振る舞う。表面状态はトポロジーによって特徴づけられる特殊な金属状态で、通常の金属とは异なる振る舞いを示す。磁性元素を添加することによって、磁石としての性质も现れ、これを磁性トポロジカル絶縁体と呼ぶ。特殊な金属状态と磁石としての性质が作用する结果として、磁性トポロジカル絶縁体では量子异常ホール効果を生じる。

[2] 電気磁気効果
一般に、物质の电気分极は电场を加えることで诱起されるが、磁场によって诱起される场合もある。逆に、磁気分极が电场によって诱起される场合もある。このような现象は电気磁気効果と呼ばれ、新たな动作原理に基づく记録媒体やスイッチング素子への応用が期待されている。

[3] ラフリン電荷ポンプ
米国のロバート叠.ラフリン教授（1998年ノーベル物理学赏受赏）が理论的に提唱した现象。円筒状に丸めた量子ホール効果を示す二次元电子系に対して、円筒の轴方向に加えた磁场を変化させると、电子が円筒の轴方向に平行移动する。本研究では、量子ホール効果に类似した现象を示す量子异常ホール絶縁体を用いた実験を行った。

详细（プレスリリース本文）