トポロジカル母物質のキャリア制御に成功－非散逸なトポロジカル伝導現象の低消費電力エレクトロニクスへの応用に向けて－

東京大学大学院工学系研究科の西早辰一　大学院生、打田正輝　助教、川﨑雅司　教授らの研究グループは、理化学研究所創発物性科学研究センターの田口康二郎 チームリーダーらの研究グループと共同で、近年発見されたトポロジカル半金属Cd3As2について、化学置換や電界効果を用いたキャリア制御手法を確立し、量子化された伝導現象である量子ホール効果の観測を通してトポロジカル半金属薄膜で実現される電子構造を明らかにしました。

トポロジカル物質とは、電子の波動関数に由来して電子状態に非自明なよじれを持ち、従来の物質の分類（金属・半導体・絶縁体など）には属さない物質群です。トポロジカル物質は、非散逸な電子やスピンの伝導が現れることから低消費電力エレクトロニクスの有望な材料として期待されています。これまでトポロジカル物質に関する研究は、電子構造にエネルギーギャップを持つ「トポロジカル絶縁体」において精力的に行われてきました。

一方、近年ではエネルギーギャップを持たない「トポロジカル半金属」と呼ばれる新たなトポロジカル物質が発見され、トポロジカル絶縁体を含む広範なトポロジカル物質群を束ねる高次の性質をもつ母物質として注目を集めています。トポロジカル半金属では、既存の物質では起こらない特殊な電気的・磁気的な性質が生じます。例えば、トポロジカル半金属において価電子帯と伝導帯が一点で接する点（ワイル点）では、あたかも仮想的な磁気単極子が存在するかのようにみなすことができます。ワイル点に磁場を加えることによって非散逸電流が流れたり、スピンの流れであるスピン流が生じたりするなど、既存の物質では起こらない特殊な電気的・磁気的な性質が生じます。したがって、将来的な応用を見据えたトポロジカル半金属における輸送現象の学理構築が急務とされています。しかしながら、これらの輸送現象は物質中の電荷キャリア（電子や電子が不足した状態である正孔（せいこう））の濃度が高い状態では観測しづらく、トポロジカル半金属のキャリア濃度の制御が重要な課題となっていました。

本研究グループは、典型的なトポロジカル半金属であるCd3As2について、高い結晶性をもつ薄膜試料を独自の成膜技術で作製し、化学置換や電界効果を用いてキャリアを系統的に制御する手法を確立しました。さらに、低キャリア濃度の領域では非散逸な伝導現象である量子ホール状態を観測し、キャリア濃度を制御して詳細な測定を行うことで二次元的な電子構造の詳細を明らかにしました。

今回確立した化学置換・キャリア濃度制御の手法は、トポロジカル半金属特有の電気・磁気特性を解明していく上で重要な制御パラメータです。今回確立した制御手法を利用することで、今後多角的な研究が可能になると期待されます。

本研究成果は、日本時間5月19日午前3時（米国東海岸夏時間18日午後2時）、米国科学誌「Science Advances」に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成」（No. JPMJCR16F1）、日本学術振興会科学研究費補助金 基盤研究(C)（No. JP15K05140）、新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」（No. JP16H00980）の助成を受けて行われました。

プレスリリース本分：PDFファイル

Science Advances：http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar5668.full

理化学研究所：http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180522_3/

JST：http://www.jst.go.jp/pr/announce/20180519/index.html