トポロジカル 絶縁 体。 共同発表:超高速・超指向性・完全無散逸の3拍子がそろった理想スピン流の創発と制御~『弱い』トポロジカル絶縁体の世界初の実証に成功~

トポロジカル絶縁体で新現象

トポロジカル絶縁体は、内部は絶縁体ですが、表面には電子の質量が実効的に「ゼロ」に一致した特殊な金属状態を持つ物質です( a )。 <研究の内容> 今回、東北大学と大阪大学の共同研究グループは、TlBiSe 2(Tl:タリウム、Bi:ビスマス、Se:セレン、)の高品質大型単結晶の育成に成功し、を利用したという手法を用いて、TlBiSe 2から電子を直接引き出して、そのエネルギー状態を高精度で調べました()。 Xie Chen, Zheng-Cheng Gu, , Phys. トポロジカル絶縁体の量子化磁気光学効果の観測 -省エネかつ高効率な光学素子の実現へ- 要旨 理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター強相関量子伝導研究チームの岡田健大学院生リサーチ・アソシエイト(東京大学大学院工学系研究科 大学院生)、十倉好紀チームリーダー(同教授)、創発分光学研究ユニットの高橋陽太郎ユニットリーダー(同特任准教授)、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター(同教授)、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、磁石の性質を持たせたに光を当てると、によりが回転し、その回転角が量子力学で規定される普遍的な値をとることを実験的に証明しました。 研究グループは東工大、分子科学研究所、広島大のほか、(国)日本原子力研究開発機構、東京大学、高エネルギー加速器研究所 KEK 、筑波大学で構成、さらに理論研究の面からロシアとスペインの研究者が加わった。 3次元物質のトポロジカル絶縁体は「強い」「弱い」という2つに分類されることがトポロジカル物理学の黎明期に理論予想されました。 注6) スピントロニクス 電子の磁気的性質であるスピンを利用して動作する全く新しい電子素子(トランジスタやダイオードなど)を研究開発する分野のことです。 このような性質を検証するためには、各結晶表面の電子状態をそれぞれ独立に測定する必要がありました。

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トポロジカル絶縁体

<参考図> 図4 角度分解光電子分光で決定したTlBiSe 2のバンド分散。 注4) 外部光電効果 物質に紫外線やX線を入射すると電子が物質の表面から放出される現象です。 たとえば絶縁体なのに端のところは金属のように電気を流す性質をもったり、新型の超伝導体ではいつでも端のところに永久電流が流れたりすると考えられています。 このように様々な応用が期待されているトポロジカル絶縁体ですが、現在までその候補物質は数えるほどしか発見されていません(具体的にはBi(ビスマス)とSb(アンチモン)の合金、セレン化ビスマスBi 2Se 3など)。 このトポロジカル絶縁体物質は、内部(バルク)は電流を流さない絶縁体状態であるのに対して、その表面に特殊な金属状態が現われます。 また「」は近年、磁石の性質を持たせたトポロジカル絶縁体上で実現されました。

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新型のトポロジカル絶縁体を発見-次世代省エネデバイスの開発に向けて大きく前進-

この変換現象は、加えた電流と直交方向にスピン流が生成されることから、スピンホール効果と呼ばれる。 ドーナッツと浮き輪は同じく穴が一つあいているのでトポロジー的に同じです。 ホール抵抗 物質に電圧をかけて電流を流している状態で、磁場をかけると、電子の運動方向が、電流および磁場と垂直な方向に曲げられる。 物質に依存した現象には、その物質固有の原因があるはずです。

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トポロジカル絶縁体で新現象

自転軸の方向に対して、上向き(アップ)と下向き(ダウン)の2種類の状態があります。

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新型のトポロジカル絶縁体を発見-次世代省エネデバイスの開発に向けて大きく前進-

最後に、冷やすと電気抵抗が全くゼロになる金属は特に超伝導体と呼びます。 これら変わった物質達のひとつの特徴は、物質の表面や端に「自明でない量子状態」が現れることです。 簡単な例として良く引き合いに出されるのが、「マグカップとドーナッツ」です。 本研究では、最適な候補物質を見定め、最先端の光電子分光技術と表面X線回折技術を用いることで、「弱い」トポロジカル絶縁体の観察に初めて成功し、この未解決問題に終止符を打ちました。 スピントロニクス エレクトロニクス(電子の電荷としての性質を利用した電子工学)の概念を拡張し、電子の持つ電荷とスピンの両方の性質を利用する電子工学。 この現象をホール効果と呼び、その結果電流および磁場と垂直な方向に発生する抵抗をホール抵抗と呼ぶ。

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トポロジカルってなに?|市民とサイエンス|対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象

この電子はあまりに小さくまた軽いので、我々人間が従うニュートンの力学とは違い、電子は「量子力学」に従います。

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トポロジカル絶縁体表面で高効率スピン流を生成

さらに、「弱い」トポロジカル絶縁体では、トポロジカル表面電子状態が結晶側面に閉じ込められた結果、指向性が極めて高いスピン流が流れていることが明らかになりました。 " Proceedings of the National Academy of Sciences 112, 1316 2015. Ludwigとの共同研究により「トポロジカル周期表」を完成し、3次元のトポロジカル超伝導体の存在を予言し実際に存在することを示した功績により2015年度を受賞した。 一般的 [ ] トポロジカル絶縁体(: topological insulator)とは、物質の内部は絶縁体でありながら、表面は電気を通すという物質である。 Sasagawa, and Takeshi Kondo DOI <お問い合わせ先> <研究に関すること> 近藤 猛(コンドウ タケシ) 東京大学 物性研究所 准教授 Tel:04-7136-3370 E-mail: 笹川 崇男(ササガワ タカオ) 東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所 准教授 Tel:045-924-5366 Email: <JST事業に関すること> 中村 幹(ナカムラ ツヨシ) 科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ Tel:03-3512-3531 E-mail: <報道担当> 東京大学 物性研究所 広報室 Tel:04-7136-3207 E-mail: 東京工業大学 広報・社会連携本部 広報・地域連携部門 Tel:03-5734-2975 Fax:03-5734-3661 E-mail: 産業技術総合研究所 企画本部 報道室 Tel:029-862-6216 Fax:029-862-6212 E-mail: 理化学研究所 広報室 報道担当 Tel:048-467-9272 Fax:048-462-4715 E-mail: 大阪大学 理学研究科 庶務係 Tel:06-6850-5280 Fax:06-6850-5288 E-mail: 科学技術振興機構 広報課 Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432 E-mail:. このトポロジカル絶縁体はアンチモン濃度を変えることで、の(絶対零度で電子のとる最高のエネルギー準位)を制御することができるため、伝導キャリアのタイプ(電子型か正孔型か)による変換現象の変化を検証することができます。 材料科学分野で最も進展の著しいトポロジカル物性物理において、発見が遅れた「弱い」トポロジカル絶縁体の検証はこれからであり、その潜在能力はまだまだ未知数だと言えます。

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トポロジカル絶縁体で新現象

"Imaging Dirac-mass disorder from magnetic dopant atoms in the ferromagnetic topological insulator Cr x Bi 0. 本研究では、スピントロニクス応用に向けて熱望されている理想スピン流を創発する「弱い」トポロジカル絶縁体を世界で初めて実証・観測しました。 注2)トポロジカル絶縁体 結晶中の電子状態の非自明なトポロジーを反映して、結晶の中身は電気を通さない絶縁体であるが、表面のみ電気を通す金属となる特殊な物質のこと。 量子異常ホール効果を示すトポロジカル絶縁体の表面に光を照射すると、偏光が回転します。 さらに、室温近傍で結晶の冷却速度を制御する事により、通常絶縁体からトポロジカル絶縁相へと転移させ、これに伴う 注3)のON/OFF制御を実証しました。 しかしそのために、具体的な物質を超えた普遍法則を探るときにとても役に立つ考え方なのです。

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共同発表:超高速・超指向性・完全無散逸の3拍子がそろった理想スピン流の創発と制御~『弱い』トポロジカル絶縁体の世界初の実証に成功~

わたしたちが研究の対象とする新型の超伝導体、液体ヘリウムの超流動体、新型の絶縁体では、この波動関数の性質がすこし変わっていて、その変り様が「自明でないトポロジカル数」で分類できる物質達なのです。 さらに、量子異常ホール効果が発現すると、透過した光の損失はゼロになり非散逸偏光回転が実現します。 これらの実験結果は、半導体中でのスピンホール効果とは異なる振る舞いであることから、トポロジカル絶縁体表面のバンド構造(結晶内の電子に対するエネルギー準位の構造)が電流-スピン流変換現象の特性を決めていることを明らかにしました。 この結果により、TlBiSe 2が新型のトポロジカル絶縁体であることが実験的に確立されました。 B 84, 235141 2011 参考文献 [ ]• 類似な現象の背景には、そうなるべき普遍的な理由があるはずです。 ところが特別なトポロジーを持つ超流動体や超伝導体では、その決まった大きさのちょうど半分の強さの渦や磁束ができると考えられています。

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