局所トンネル分光によるトポロジカルエッジ状態の検出

Publicly Offered Research

Project Area	Discrete Geometric Analysis for Materials Design
Project/Area Number	20H04624
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Science and Engineering
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	岡博文東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (70374600)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000) Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000) Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywords	高次トポロジカル絶縁体 / 走査トンネル顕微鏡 / トポロジカルエッジ状態 / 局所トンネル分光 / Bi薄膜
Outline of Research at the Start	近年、「トポロジカル絶縁体」や「高次トポロジカル絶縁体」と呼ばれる新しい物質が発見された。前者は、物質内部は絶縁体であるが表面では電流が流れるという性質を示し、その表面電流はバンド構造がもつトポロジーにより散逸のないスピン流となる。一方後者は、スピン流が物質表面を2次元的に流れるのではなく、表面のエッジに沿って1次元的に流れる性質をもつ。本研究は、トポロジカル絶縁体Bi2Se3薄膜と高次トポロジカル絶縁体Bi(111)薄膜を用いて、膜厚変化による次元性の低下と外部磁場印加による対称性の低下によって発現する新たなスピン流（トポロジカルエッジ状態）を、走査トンネル顕微鏡により検出する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、高次トポロジカル絶縁体Bi(111)薄膜を用いて、膜厚変化による次元性の低下と外部磁場による時間反転対称性の破れによって発現する新たなトポロジカルエッジ状態を局所トンネル分光測定により観測することを目的としている。高次トポロジカル絶縁体Bi(111)薄膜の電子状態の膜厚依存性を調べるため、Si(111)基板にBi薄膜を作製し、低温走査トンネル顕微鏡（STM）によるBi薄膜表面の構造評価と微分コンダクタンス測定を行った。膜厚約100nmという比較的厚い膜では、原子レベルで平坦なテラスと、結晶構造の対称性を反映して120度の角度で曲がるステップエッジが薄膜表面に形成された。ステップの高さは約0.4nmで、先行研究と同様に、Bi薄膜が2層成長した。微分コンダクタンススペクトルにおいて、平坦なテラスの領域では観察されない約+180mVのピークがステップエッジでは観察された。また、そのピークの有無が、ステップが120度曲がる毎に変化することもわかり、先行研究で報告されている高次トポロジカル絶縁体のトポロジカルエッジ状態[Nat. Phys. 14, 918 (2018)]であることを確認した。膜厚を薄くすると、Bi薄膜の構造が変化し、(111)表面ではなく、黒リン(110)表面をもつことがわかった。このBi薄膜の構造の膜厚依存性により、超薄膜におけるトポロジカルエッジ状態の変化を議論するのは困難であると考えられる。一方、黒リン(110)表面をもつBi薄膜においてエッジに局在する電子状態を微分コンダクタンススペクトルにおいて発見した。今後、微分コンダクタンスのマッピングを行うことにより、その電子状態がどのようなエッジに存在するのかを明らかにしたい。
Research Progress Status	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和3年度が最終年度であるため、記入しない。