2017 Fiscal Year Annual Research Report
Transport properties of nanostructured topological materials
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
15H05854
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
好田 誠 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00420000)
野村 健太郎 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (00455776)
江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
村木 康二 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 上席特別研究員 (90393769)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル物質 / ナノ構造 / 電子輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究「トポロジカル物質ナノ構造の輸送現象」では、半導体ヘテロ構造・低次元ナノ構造や超伝導体・強磁性体のハイブリッド構造等によるトポロジカル物質ナノ構造を用い、新奇なトポロジカル量子現象を引き出し、トポロジカル系に特有なエキゾチックな準粒子の振る舞いを明らかにすることを目的としている。トポロジーとナノ構造により制限された自由度の下で、対称性・相互作用・近接効果が生む相乗効果により、特異な量子現象やエキゾチックな準粒子の発現、トポロジカル物質ナノ構造デバイスの基礎原理の提案、原理実証を目指すとともに、新学術領域内での連携により、トポロジカル量子相転移、トポロジカル超伝導、ワイル半金属、マヨラナ準粒子などの研究を発展させる。これらにより、トポロジカル物質科学の基礎学理の構築と学問体系の樹立を目指す本新学術領域「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」の目的遂行に貢献する。
Ｈ２９年度は、[1]集積化カイラルエッジ回路により、朝永ラッティンジャー流体の可積分性に起因した非平衡準安定状態の観測に成功した。[2]エアブリッジ型ゲート電極による量子アンチドットの形成に成功した。[3]歪制御半導体ヘテロ構造の量子スピンホール系で、電界制御によるトポロジカル相転移、バンドトポロジーを反映したπベリー位相の観測、ゼロ磁場におけるスピン軌道分裂の直接観測等、予想を超える成果があった。[4]超伝導になりかつ強い有効磁場を有するTa薄膜のスピン緩和機構を明らかにした。[5]層状物質であるGaSe薄膜のゲート制御により、スピン軌道相互作用を外部操作することに成功した。[6]磁性ワイル半金属について、トポロジーに基づく新しい機構の磁気電荷ポンピングを提案し、ヘリシティに起因する強い磁気抵抗効果を予測した。[7]高次トポロジカル絶縁体というトポロジカル絶縁体を大幅に拡張する概念について研究を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
半導体ヘテロ構造・低次元ナノ構造によるトポロジカル物質ナノ構造（以下[1-3]）、超伝導体・強磁性体のハイブリッド構造等に向けたスピン物性（以下[4,5]）、理論研究（以下[6,7]）により新奇なトポロジカル量子現象を見出しており、当初の計画以上に進展している。
[1]トポロジカルナノ構造を駆使して、カイラル朝永ラッティンジャー流体の非平衡準安定状態の観測に成功した成果は、量子可積分系での動的現象として注目されている。[2]エアブリッジ型ゲート電極による量子アンチドットの形成は、少数準粒子束縛の可能性から発展性のある成果である。[3]歪制御半導体ヘテロ構造により量子スピンホール系のバンドギャップを7-10倍に増大し、電界制御によるトポロジカル相転移の観測に成功し、バルクのバンドトポロジーを反映した磁気抵抗振動のπベリー位相の観測、ゼロ磁場のスピン軌道分裂をキャパシタンスで直接観測等、予想を超える成果を得た。[4]エピタキシャルTa薄膜の弱反局在測定から、D-P型スピン緩和機構を明らかにした。超伝導になりかつ強い有効磁場を有することから、超伝導・半導体のハイブリッド構造への発展が期待される。[5]GaSe層状薄膜のゲート制御により、強いスピン軌道相互作用を明らかにした。超伝導・強磁性体のハイブリッド構造への発展が期待される。[6]磁性ワイル半金属について、トポロジーに基づく磁気電荷ポンピング機構を提案し、ヘリシティに起因する強い磁気抵抗効果を予測した。磁性ワイル半金属Mn3Snの電子状態を記述する有効タイトバインディング模型を提案し、異常ホール効果や自発軌道磁化に関する性質を明らかにした。[7]高次トポロジカル絶縁体という新しい概念について研究を行い、breathingカゴメ格子とbreathingパイロクロア格子のバンド計算から、トポロジカル・コーナー状態の出現を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
[1] カイラルエッジのホットエレクトロンの緩和過程に注目し、電子電子散乱やフォノン散乱の抑制について実験と解析を進める。低エネルギーのプラズモン描像から高エネルギーの単一電子描像への移り変わりを系統的に調べる。[2]アンチホールバー素子で分数量子ホール系のエッジ状態の平衡化現象に関する研究を開始する。[3]InAs/InGaSb量子スピンホール系で、disorder低減とエッジポテンシャルの制御によりスピン緩和長の延伸を目指す。転移のないAlAsSbバッファ層とInGaAs/InGaSbヘテロ構造で最適化を図る。また、両面プロセスを用いた電界誘起による内部エッジチャネルの形成も検討する。スパッタ法やエピタキシャル成長の超伝導接合を検討し、量子スピンホール系やInAs量子ホール系での超伝導電流の観測を目指す。[4]低温での磁気輸送測定と、広い温度領域の時間分解カー回転測定を相補的に活用し、より高精度なスピン軌道相互作用評価法を確立し、新物質のスピン軌道相互作用を探索する。[5]半導体細線構造のスピン軌道相互作用の評価を行いスピン軌道相互作用の定量評価し、超伝導や強磁性体接合の設計を行う。[6]トポロジカルディラック半金属と強磁性体のハイブリッド構造における新しい磁気輸送現象の理論研究を進める。トポロジカルディラック半金属のスピンホール効果およびヘリカル表面状態に起因する新しいスピントルク効果、さらにハイブリッド構造における磁化依存磁気抵抗効果とそのトポロジカルな性質を明らかにする。[7]高次トポロジカル絶縁体と同様に高次トポロジカル超伝導体や高次トポロジカル半金属を考え、強束縛近似模型を提案する。特に高次トポロジカル超伝導体ではコーナー・マヨラナ状態やヒンジ・マヨラナ状態が出現する事が期待でき、これらを制御する事でトポロジカル量子コンピューティングの機構を探求する。
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