Quantum interference effect on the surface of topological insulators

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01155
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 川村 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 専任研究員 (60391926)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 磁性トポロジカル絶縁体 / ディラック電子系 / ラフリン電荷ポンプ / 表面ホール伝導率

Outline of Annual Research Achievements

磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造薄膜(Cr,Bi,Sb)_2Te_3/(Bi,Sb)_2Te_3/(Cr,Bi,Sb)_2Te_3をドーナツ型に加工した試料を用いて、ラフリン電荷ポンプを観測した。ラフリン電荷ポンプは、ドーナツ型の試料の中心穴を通過する磁束を変化させることで、電荷を動径方向へ輸送する現象である。電荷はトポロジカル絶縁体の表・裏の表面状態を介して輸送されるが、表面状態には磁気ギャップが開いているため、電荷はエネルギー散逸なく輸送される。磁場を数ヘルツの低周波数で振動させ、ラフリン電荷ポンプによって誘起される交流電流をコンデンサへ流し、コンデンサの両端に生じる電圧を測定した。電圧と交流磁場振幅の比は周波数に寄らず一定値をとることを観測した。この比の値からトポロジカル絶縁体の表と裏の寄与を合わせた表面ホール伝導率を求めることができる。試料が量子異常ホール状態にある場合には、表面ホール伝導率は量子コンダクタンスe2/hとよく一致した。一方、試料がアクシオン絶縁体状態にある場合には、表面と裏面の寄与が相殺することにより、表面ホール伝導率はゼロとなった。これらの結果は、磁性トポロジカル絶縁体表面の表面ホール伝導率が１枚あたりe2/2hに半整数量子化していることを示している。ホール伝導率の半整数量子化は、磁気ギャップを有する単一ディラック電子系において理論的に予測されている重要な帰結の一つであり、今回の研究はその特徴を捉えたものと言える。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator (2023)
  • Author(s): Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 19 Pages: 333-337
  • DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental signature of the parity anomaly in a semi-magnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): M. Mogi, Y. Okamura, M. Kawamura, R. Yoshimi, K. Yasuda, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, T. Morimoto, N. NAgaosa, M. Kawasaki, Y. Takahashi, and Y. Tokura
  • Journal Title: Nature Physics Volume: 18 Pages: 390-394
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01490-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonreciprocal charge transport in topological superconductor candidate Bi2Te3/PdTe2 heterostructure (2022)
  • Author(s): Makoto Masuko, Minoru Kawamura, Ryutaro Yoshimi, Motoaki Hirayama, Yuya Ikeda, Ryota Watanabe, James Jun He, Denis Maryenko, Atsushi Tsukazaki, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, Naoto Nagaosa, and Yoshinori Tokura
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 7 Pages: 104
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00514-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonreciprocal electrical transport in the multiferroic semiconductor (Ge,Mn)Te (2022)
  • Author(s): Ryutaro Yoshimi, Minoru Kawamura, Kenji Yasuda, Atsushi Tsukazaki, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Pages: 115202
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.115202
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Precision measurement of quantum anomalous Hall effect in magnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): Yuma Okazaki, Takehiko Oe, Minoru Kawamura, Ryutaro Yoshimi, Shuji Nakamura, Shintaro Takada, Masataka Mogi, Kei S Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Masashi Kawasaki, Yoshinori Tokura, Nobuhisa Kaneko
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子異常ホール絶縁体におけるラフリン電荷ポンプ (2022)
  • Author(s): 川村稔、茂木将孝、吉見龍太郎、森本高裕、高橋圭、塚崎敦、永長直人、川﨑雅司、十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2022秋季大会
• [Remarks] トポロジカル絶縁体で電気磁気効果を初めて観測
  • URL: https://www.riken.jp/press/2023/20230120_1/
• [Remarks] 二次元ディラック電子の量子異常を実証
  • URL: https://www.riken.jp/press/2022/20220128_1/