2018 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of novel topological phases based on symmetry
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
15H05853
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佐藤 宇史 東北大学, 理学研究科, 教授 (10361065)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬川 耕司 京都産業大学, 理学部, 教授 (20371297)
柏谷 聡 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40356770)
塚崎 敦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50400396)
田仲 由喜夫 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40212039)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 対称性 / 電子状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、スピン分解ARPES装置における励起光源の改良を行い、ダイヤモンドを用いた局所磁化測定の観測手法の開発を行った。これらの装置整備に加えて、(1)トポロジカル量子相転移の解明、(2)ディラック・ワイル半金属相の実現、(3) 表面・界面のディラック電子制御による新奇物性発現、(4)トポロジカル超伝導体の開発と検証、(5)エッジ流・奇周波数電子対・マヨラナ準粒子の検証、の5つの項目を中心に研究を行った。
1)および3): (Bi,Sb)2Se3混晶薄膜をチャネルに用いた電界効果型トランジスタの膜厚依存性を検証し、EF制御を実証した。特に、試料面直方向に形成されたpn接合の寄与を明らかにし、バルク中の残留電子と残留正孔の空乏層形成をバルク絶縁化に利用できることを示した。
2): Ta3SiTe6が、映進対称性によって保護された線ノードとアワーグラス型準粒子励起を持つことを見出した。また、AlB2の電子構造を決定した結果、X字型バンド分散と線ノードを見出した。さらに、CoSiが新しい種類のノーダル準粒子を内包するトポロジカル半金属であることを見出した。
4)銅酸化物高温超伝導体上のBi(110)薄膜において、 超伝導近接効果によってBiに巨大なギャップを誘起することに成功し、Biの電子状態が高温トポロジカル超伝導発現に適していることを見出した。Sr2RuO4の極低温マイクロ波キャビティ測定を行い、奇周波電子対の効果も考慮した準古典理論との対応を検証した結果、カイラルp波対称性と矛盾しない結果を得た。
5) 多軌道超伝導において軌道間ペアの作り出すエッジ状態およびスピンテクスチャの存在を明らかにした。トポロジカル超伝導体におけるバルクエッジ対応を一般化させることで、エッジ表面に誘起される奇周波数クーパーペアとバルクのGreen関数で定義される量に対応があることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
スピン分解光電子分光装置のスピン検出効率向上においては、期待通りの性能を得ることに成功した。また、トポロジカル半金属であるCoSiでは、「スピン１粒子」と「二重ワイル粒子」と呼ばれる、これまで報告されてきたディラックおよびワイル粒子とも異なる、結晶のカイラリティに起因した全く新しい種類のノーダル準粒子を実証することに初めて成功した。この結果は、結晶のもつ点群対称性の考察に基づいた物質探索が、新しい物性機能発現に向けて極めて重要であることを示したものであり、今後の物質探索において重要な方向性を与えるものである。本研究では、その他の新奇トポロジカル物質や、トポロジカル超伝導候補物質などにおいても興味深い成果が得られており、奇周波数クーパー対の理論においても進展が見られた。以上の事から、研究が概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の研究をひき続き発展させるとともに、さらに以下に示す研究も進める。
(1) トポロジカル量子相転移の解明: Bi2Se3薄膜で生じるトポロジカル相転移の理解を深める。また、超伝導体との接合やトンネル接合素子の評価を行って、トポロジカル相転移に伴うギャップ形成の直接観測を目指す。
(2) ディラック・ワイル半金属相の実現: 結晶の対称性により保護された新しい種類のノーダル準粒子を持つトポロジカル半金属の探索を行う。これまでの実験結果をまとめ、対称性の観点からトポロジカル半金属の電子構造を整理する。
(3) 表面・界面のディラック電子制御による新奇物性発現: 強磁性トポロジカル絶縁体(TI) / 超伝導体系におけるマヨラナ準粒子観測とその制御性の可能性を明らかにする。また、TlSbTe2 薄膜の実現と、その技術を応用した Bi2Se3/PbSe 複合系薄膜の作製を実現する。
(4) トポロジカル超伝導体の開発と検証: Bi2Se3薄膜との超伝導接合において、新奇なトポロジカル相との近接効果によるトポロジカル物性の観測を目指す。また、従来型超伝導体とトポロジカル絶縁体の界面における新しい原理に基づいたトポロジカル超伝導実現の可能性について電子構造の立場から明らかにする。
(5) エッジ流・奇周波数電子対・マヨラナ準粒子の検証: 強磁性TI上に作成したジョセフソン接合を用い、その輸送特性に基づきゲーティングによりトポロジカル-非トポロジカルの転移を実現する。これと連動してマヨラナ準粒子の存在、およびそのブレーディングの可能性を検証する。トポロジカル絶縁体上の超伝導接合のジョセフソン電流の計算を量子臨界点近傍で行う。様々なトポロジカル超伝導のモデルをスペクトラル・バルクエッジ対応で整理を行う。また多軌道超伝導体におけるトポロジカル超伝導の軌道・スピンテクスチャーを計算する。
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