| 研究領域 | トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア |
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| 研究課題/領域番号 |
15H05854
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
藤澤 利正 東京工業大学, 理学院, 教授 (20212186)
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| 研究分担者 |
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)
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, 金属材料研究所, 准教授 (00455776)
江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
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| 研究期間 (年度) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| キーワード | トポロジカル物質 / ナノ構造 / 電子輸送 |
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| 研究実績の概要 |
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。
Ｈ２８年度は、［１］カイラルエッジ状態のスピン電荷分離の観測、［２］ヘリカルエッジ状態の制御、［３］マヨラナ準粒子の観測に向けた試料作製、［４］超電導/リング構造によるトポロジカル位相の検出・制御に向けた研究の進展、［５］ワイル半金属中のトポロジカル電磁結合の理論研究、［６］新奇なトポロジカル系における理論研究を行った。特に、ランダウ占有率２の量子ホールエッジ状態において、スピン分解オシロスコープの構築により、カイラル朝永ラッティンジャー流体に特有のスピン電荷分離の観測に成功した。また、InAs/InGaSb歪みヘテロ構造系の採用により、ヘリカルエッジ状態の特性を著しく向上した試料を得ることに成功し、反転したバンドのトポロジーを反映したπベリー位相など、興味深い現象の観測に成功した。さらに、ワイル半金属中のトポロジカル電磁結合の理論研究から、磁性ワイル半金属における新奇電磁応答を発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
主な成果として下記の研究成果を得ており、順調に進展していると考えている。
［１］カイラル朝永ラッティンジャー流体として振る舞うランダウ占有率２の量子ホールエッジ状態において、スピン電荷分離の観測に成功した。スピン分解オシロスコープの構築により、時間分解でスピン波束と電荷波束が異なる速度で伝搬することを示した［２］ヘリカルエッジ状態では、InAs/InGaSb歪み系を採用し、層厚・基板・バッファ構造・ドーピング・混晶組成・バリア組成依存性の最適化から、従来比でエネルギーギャップが7倍、バルク絶縁性が2桁高い良好な試料が得られた。また、反転したバンドのトポロジーを反映したπベリー位相など、興味深い現象が観測されている。［３］InAs/(In)GaSb系の超伝導接合について、バルク状態でのジョセフソン接合的な振る舞いを確認した。また、（分数）量子ホールエッジと超伝導の接合に向け、InAs 2次元電子系のバッファ層構造の設計により高移動度化に成功した。［４］InGaAsリング構造および正方格子構造を用いたスピン干渉デバイスを作製し、磁気輸送測定からスピン歳差運動に起因するアハロノフキャッシャー位相の制御を実現した。［５］ワイル半金属中のトポロジカル電磁結合の理論研究を進め、トポロジカルに安定なスピンテクスチャー構造を解析した。特に、磁性ワイル半金属に電圧を加えて磁気モーメントの向きを反転させる新奇電磁応答の発見により、強磁性体とハイブリッド構造からもスピン制御の可能性を探るという当初の目的は概ね達成された。［６］ノンシンモルフィック対称性に保護された新しいタイプのフェルミオンである砂時計フェルミオンを導出する模型を積層ハニカム系にノンシンモルフィック対称性を課すことで構成した。また、対称性に保護されたマルチバンドタッチング系を、立方対称性を持つ格子模型で実現した。
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| 今後の研究の推進方策 |
［１］カイラルエッジ状態の顕著な非平衡状態を観測するため、エッジボテンシャルの形状を制御することにより長寿命の電子励起状態の実現を目指す。また、アンチドット、アンチホールバーなどの特異な素子構造により、分数電荷準粒子を観測する新奇構造の開拓を目指す。
［２］ゲート制御によるトポロジカル相転移の観測と、それに伴うエッジ状態の変化の検出を目指す。さらに、エッジのヘリカルスピン状態をアンドレーフ反射やショットノイズの測定や、反転したバンドを反映したベリー曲率の効果を非局所伝導測定によって明らかにすることを目指す。
［３］InAs 2次元電子の高移動度化を進め、分数量子ホール効果の観測を目指す．さらにスパッタで作製した超伝導体の膜質を改善し、量子スピンホール、整数量子ホール、分数量子ホールエッジにおける超伝導電流の観測を目指す．
［４］リング構造を用いたスピン位相の制御を進展し、スピン位相に含まれる動的スピン位相成分と幾何学的位相成分を分離評価することで、リング構造や正方格子構造などのトポロジカル形状に依存する位相(ベリー位相)の検出とその制御を試みる。
［５］乱れのあるディラック・ワイル半金属において磁気伝導や磁化ダイナミクスにおける新現象の解明を目指す。今後は特にトポロジカル物質と磁性体のハイブリッド接合系の解析に重点を置き研究を進める。
［６］ボロンの単原子層物質であるボロフェンにはディラック電子が存在することが実験的に示されている。これの電子物性、輸送特性を研究する。近年、ラインノード半金属が着目を浴びている。このラインノードは一般的に閉じたループをつくるが、これが非自明な絡み目や結び目を持つ可能性を探索する。
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