薄膜積層化で整数量子ホール効果を従来より高温・弱磁場で実現 - トポロジカル絶縁体の表面ワイル状態制御へ新設計指針 - : 物理工学専攻　博士課程 吉見龍太郎, 安田憲司、十倉好紀教授等

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの吉見龍太郎研修生（東京大学大学院工学系研究科博士課程）、安田憲司研修生（同研究科修士課程）、十倉好紀グループディレクター（同研究科教授）、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（同研究科教授）、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、新物質のトポロジカル絶縁体「(Bi_1-xSb_x)₂Te₃」薄膜上に磁性元素のクロム(Cr)を添加した層を積層させることで、エネルギー損失が極めて小さい電流が流れる「整数量子ホール効果」を従来より高温・弱磁場で実現し、トポロジカル絶縁体の表面ワイル状態の制御に向けた新しい設計指針として有効であることを実証しました。

トポロジカル絶縁体は、内部は電流が流れない絶縁体状態ですが、表面は金属状態の物質です。この表面の金属状態には、ワイル電子が存在し、これをワイル状態と呼びます。強磁場を加えると、金属表面のワイル状態のエネルギーが量子化し、試料の端にエネルギー損失の小さい電流が流れる「整数量子ホール効果」が現れます。また、Crを添加した磁性トポロジカル絶縁体では、磁場を加えることなく同様の量子ホール効果「異常量子ホール効果」が現れます。これらはエネルギーをほとんど使わずに電気伝導が可能なことから、低消費電力素子への応用に向けた研究が活発化しています。しかし、上記2つの量子ホール効果を実現するには、温度を極めて低くする必要があるため、改善に向けた設計指針が求められています。

共同研究グループは、トポロジカル絶縁体の1つ「(Bi_0.12Sb_0.88)₂Te₃」（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、Te：テルル）の薄膜上にCrを添加した磁性トポロジカル絶縁体「Cr_0.2(Bi_0.12Sb_0.88)_1.8Te₃」を積層させた、トポロジカル絶縁体積層薄膜の作製法を確立しました。これを用いて電界効果型トランジスタ構造を作製し、試料内部の電子数を少しずつ変化させながらホール抵抗を測定したところ、積層構造を使わないトランジスタに比べ10倍高い温度（50ミリケルビン→500ミリケルビン）と、2分の1という弱い磁場（14テスラ→7テスラ）でホール抵抗が量子化抵抗値（約25.8kΩ=h/e²）で一定となり、整数量子ホール状態になっていることを確認しました。

本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」の事業の一環として行われ、成果は、国際科学雑誌『Nature Communications』（10月26日号）に掲載されます。

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