トポロジカル絶縁体表面における量子干渉効果

• 研究課題/領域番号: 18H01155
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2019年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / 量子異常ホール効果 / ラフリン電荷ポンプ / 電気磁気効果 / 磁性トポロジカル絶縁体 / ディラック電子系 / 表面ホール伝導率 / 量子干渉効果 / アハロノフボーム効果 / 非弾性散乱長 / 干渉効果 / トポロジカル量子相転移 / 微細加工

研究成果の概要

トポロジカル絶縁体表面の電子状態における幾何学的位相の効果を、電気伝導測定という巨視的な物理量の測定から明らかにする研究をおこなった。当初計画していたアハロノフ‐ボーム効果などの量子干渉効果の実験では、非弾性散乱長が試料サイズよりも短かったために、干渉効果を明瞭に測定することができなかった。一方、磁性元素を添加した磁性トポロジカル絶縁体の研究では、電子系の幾何学的位相の効果である量子異常ホール効果のホール抵抗が8桁以上の精度で量子抵抗値に一致することを示した。さらに、ラフリン電荷ポンプ現象を観測し、電極を結ぶ端チャンネルが存在しない系においてもホール伝導率が量子化することを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

量子異常ホール効果の精密測定では、ホール抵抗値が８桁以上の精度で量子化することを示した。この成果は量子異常ホール効果の学理を構築する上で重要な測定結果であると同時に、量子異常ホール効果を無磁場でも使える電気抵抗標準へ応用するための第一歩である。物質のトポロジーを積極的に利用した典型的な応用例であり、トポロジカル物質をの応用研究へ向けて弾みがつくことが期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Minoru、Mogi Masataka、Yoshimi Ryutaro、Morimoto Takahiro、Takahashi Kei S.、Tsukazaki Atsushi、Nagaosa Naoto、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 19 号: 3 ページ: 333-337
  • DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental signature of the parity anomaly in a semi-magnetic topological insulator (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 18 号: 4 ページ: 390-394
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01490-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal charge transport in topological superconductor candidate Bi2Te3/PdTe2 heterostructure (2022)
  • 著者名/発表者名: Masuko Makoto、Kawamura Minoru、Yoshimi Ryutaro、Hirayama Motoaki、Ikeda Yuya、Watanabe Ryota、He James Jun、Maryenko Denis、Tsukazaki Atsushi、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: npj Quantum Materials 巻: 7 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00514-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonreciprocal electrical transport in the multiferroic semiconductor (Ge,Mn)Te (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Yasuda Kenji、Tsukazaki Atsushi、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 11 ページ: 115202-115209
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.115202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum anomalous Hall effect with a permanent magnet defines a quantum resistance standard (2021)
  • 著者名/発表者名: Okazaki Yuma、Oe Takehiko、Kawamura Minoru、Yoshimi Ryutaro、Nakamura Shuji、Takada Shintaro、Mogi Masataka、Takahashi Kei S.、Tsukazaki Atsushi、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori、Kaneko Nobu-Hisa
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 18 号: 1 ページ: 25-29
  • DOI: 10.1038/s41567-021-01424-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current-induced magnetization switching at charge-transferred interface between topological insulator (Bi,Sb)2Te3 and van der Waals ferromagnet Fe3GeT32 (2021)
  • 著者名/発表者名: Reika Fujimura, Ryutaro Yoshimi, Masataka Mogi, Atsushi Tsukazaki, Minoru Kawamura, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 号: 3 ページ: 032402-032402
  • DOI: 10.1063/5.0057863
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current-induced switching of proximity-induced ferromagnetic surface states in a topological insulator (2021)
  • 著者名/発表者名: Masataka Mogi, Kenji Yasuda, Reika Fujimura, Ryutaro Yoshimi, Naoki Ogawa, Atsushi Tsukazaki, Minoru Kawamura, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki & Yoshinori Tokura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1404-1404
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21672-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular beam epitaxy of superconducting Sn1-xInxTe thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Masuko M.、Yoshimi R.、Tsukazaki A.、Kawamura M.、Takahashi K. S.、Kawasaki M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 号: 9 ページ: 091202-091202
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.091202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current scaling of the topological quantum phase transition between a quantum anomalous Hall insulator and a trivial insulator (2020)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Atsushi Tsukazaki, Yusuke Kozuka, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 4 ページ: 041301-041301
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.041301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large non-reciprocal charge transport mediated by quantum anomalous Hall edge states (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenji Yasuda, Takahiro Morimoto, Ryutaro Yoshimi, Masataka Mogi, Atsushi Tsukazaki, Minoru Kawamura, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, Naoto Nagaosa, and Yoshinori Tokura
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 15 号: 10 ページ: 831-835
  • DOI: 10.1038/s41565-020-0733-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum anomalous Hall effect driven by magnetic proximity coupling in all-telluride based heterostructure (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R.、Yoshimi R.、Kawamura M.、Mogi M.、Tsukazaki A.、Yu X. Z.、Nakajima K.、Takahashi K. S.、Kawasaki M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 号: 10 ページ: 102403-102403
  • DOI: 10.1063/1.5111891
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Anomalous Hall Effect in Topological Insulators with Proximitized Ferromagnetic Insulators (2019)
  • 著者名/発表者名: Mogi Masataka、Nakajima Taro、Ukleev Victor、Tsukazaki Atsushi、Yoshimi Ryutaro、Kawamura Minoru、Takahashi Kei S.、Hanashima Takayasu、Kakurai Kazuhisa、Arima Taka-hisa、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 1 ページ: 016804-016804
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.016804
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological quantum phase transition in magnetic topological insulator upon magnetization rotation (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Minoru、Mogi Masataka、Yoshimi Ryutaro、Tsukazaki Atsushi、Kozuka Yusuke、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 号: 14 ページ: 1404041-5
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.140404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of interfacial conduction and ferromagnetism in MnTe/InP (2018)
  • 著者名/発表者名: Watanabe R.、Yoshimi R.、Shirai M.、Tanigaki T.、Kawamura M.、Tsukazaki A.、Takahashi K. S.、Arita R.、Kawasaki M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 18 ページ: 181602-181602
  • DOI: 10.1063/1.5050446
  • 査読あり
• [学会発表] Precision measurement of quantum anomalous Hall effect in magnetic topological insulator (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 量子異常ホール絶縁体におけるラフリン電荷ポンプ (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2022秋季大会
• [学会発表] Quantum transport phenomena in magnetic topological insulator thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: The International Symposium on Advanced Science and Technology (Chung Hsing University, Taiwan)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of half-integer Hall conductivity in topological insulator thin film (2021)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: APW-RIKEN-Tsinghua-Kavli workshop “Highlights on condensed matter physics”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Critical behavior of the quantum anomalous Hall plateau transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: Localisation seminar series
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子異常ホール絶縁体‐通常絶縁体相転移の電流スケーリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 川村稔、茂木将孝、吉見龍太郎、塚崎敦、小塚裕介、高橋圭、川﨑雅司、十倉好紀
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] uantum anomalous Hall effect in magnetic-proximity-coupled topological insulator (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: APW2019 and Tsinghua-RIKEN-KITS Joint workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Proximity-induced Quantum Anomalous Hall Effect in (Zn,Cr)Te/(Bi,Sb)2Te3/(Zn,Cr)Te Heterostructure Film (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Watanabe, R. Yoshimi, M. Kawamura, M. Mogi, A. Tsukazaki, X. Yu, K. Nakajima, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • 学会等名: International symposium on hybrid quantum systems 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Metal-insulator transition in magnetic topological insulator driven by magnetization angle rotation (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Kawamura, M. Mogi, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
  • 学会等名: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Topological quantum phase transition in magnetic topological insulator (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: 2019 RIKEN-NCHU Joint Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum phase transition in magnetic topological insulator studied by transport measurement (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Atsushi Tsukazaki, Yusuke Kozuka, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • 学会等名: Frontiers in Quantum Materials and Devices Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum phase transition in magnetic topological insulator driven by magnetization rotation (2019)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Atsushi Tsukazaki, Yusuke Kozuka, Kei S. Takahashi, Masashi Kawasaki, and Yoshinori Tokura
  • 学会等名: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Topology: a new knob for electric switch (2018)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: France-Japan Bilateral Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum phase transition in magnetic topological insulator studied by transport measurement (2018)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: China-Japan International Workshop on Quantum Technologies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal-insulator transition in magnetic topological insulator (2018)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura
  • 学会等名: The 34th international conference on physics of semiconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁性トポロジカル絶縁体の量子伝導物性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川村稔
  • 学会等名: 産総研－理研 量子技術イノベーションコアWorkshop
  • 招待講演
• [備考] 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/
• [備考] 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/
• [備考] 強磁場発生装置を用いない量子抵抗標準素子の開発に成功
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20211214_1/index.html