広島大、トポロジカル絶縁体の表面電子における「結合定数」の計測に成功

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広島大学は10月21日、微小に集光した紫外線レーザーを用いた「高分解能角度分解光電子分光(ARPES)実験」を行い、三次元トポロジカル絶縁体「Bi2Te3」のトポロジカル表面電子が、原子の熱振動によりどの程度散乱されるのかを数値化し、それが散乱過程の数で決まることを解明したと発表した。

また、同絶縁体のトポロジカル表面電子における電子-格子相互作用の結合定数も調べられ、銅やアルミニウムよりも小さく、そしてエネルギーに依存してその大きさが変化する0.02～0.13の値を取ることも併せて発表された。

同成果は、広島大大学院 理学研究科のAmit Kumar大学院生(現・広島大 放射光科学研究センター(HSRC) 研究員)、同・大学院 先進理工系科学研究科の宮井雄大大学院生、HSRCのShiv Kumar助教、同・島田賢也教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する物性物理とその関連分野全般を扱う学術誌「PHYSICAL REVIEW B」に掲載された。

非磁性絶縁体とは、電子のスピンが揃っていないために磁石にくっつかず、電子が動けないために電流が流れない物質のことである。その非磁性絶縁体中の中で、2005年に理論的に予想されたのが「トポロジカル絶縁体」だという。

同物質は、内部は非磁性絶縁体だが、その表面に金属的に振る舞うトポロジカル表面電子が存在するという特徴を持つ。その表面電子は、運動する方向に直交するように電子のスピンの向きが定まるという点も特徴である。

物質に電気が流れる時、電気抵抗によりジュール熱が発生してエネルギーが失われる。電気抵抗の源は、格子を組んで配列した原子の熱振動によって電子が散乱され、電子の運動状態が変化することにある。この過程で電子が受ける相互作用を「電子-格子相互作用」といい、その強さを数値化したものが「結合定数」で、この定数は、大きければ原子の熱振動による散乱を受けやすく、小さければ受けにくいということを表すという。

典型的な三次元トポロジカル絶縁体として知られるBi2Te3(テルル化ビスマス)についても、これまでトポロジカル表面電子の「結合定数」を決める実験や理論計算が行われてきた。しかし、桁違いに異なる結果が出ており、また同定数がどのように決まっているのかもよくわかっていなかったとのことで、研究チームは今回、同定数を決めるため、微小領域に集光した紫外線レーザーを用いたARPES実験を行うことにしたという。

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同実験装置は、空間分解能を高めた放射光実験を行うため、HSRCによって独自に開発された装置。同装置を用いると、10μm程度の微小領域の電子の性質を、世界最高水準のエネルギー・運動量分解能で測定することが可能なほか、原子の熱振動は温度を上げると大きくなるため、今回の実験では-256℃の低温から27℃の室温まで温度を変えながら、高い精度で行われることとなったという。

電子のエネルギーと運動量の関係調査から、温度が上がるにしたがってトポロジカル表面電子のエネルギーが上昇し、電気を通さない内部においてバンドギャップが減少することが判明。これにより、トポロジカル表面電子の散乱強度は温度に依存しており、電子-格子相互作用が主要な役割を果たしていることが確かめられたとする。

また、トポロジカル表面電子の電子-格子相互作用の結合定数が調べられたところ、エネルギーに依存してその大きさが変化し、0.02～0.13の値を取ることが確認されたとする。この値は、銅の0.2やアルミニウムの0.4よりも小さい値であり、原子の熱振動の影響を受けにくいことが判明した。

さらに、結合定数のエネルギー依存性が詳しく調べられたところ、それが実験で得られたトポロジカル表面電子の散乱強度のエネルギー依存性とよく対応していることが明らかにされ、電子の散乱強度は散乱される過程の数と比例することから、結合定数は散乱過程の数に依存していることが判明したほか、実験結果と理論研究結果との比較より、結合定数の大きさやそのエネルギー依存性が定量的にもよく対応しており、今回の研究結果が裏付けられたとも研究チームでは説明している。

電子-格子相互作用の結合定数の小さなトポロジカル表面電子を活用すると、発熱によるエネルギー損失を抑えることが可能なことから、省エネルギーで高速に動作する新しい電子デバイスへの展開が期待できるという。また、超伝導を示すトポロジカル絶縁体では、反粒子と粒子が同一である「マヨラナ粒子」的に振る舞う電子状態が生じると提唱されており、量子コンピュータへの利用も期待されているとしている。