2015 Fiscal Year Research-status Report
トポロジカル量子相とその階層構造，不純物に対する頑強性の理論的研究
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15K05131
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
井村 健一郎 広島大学, 先端物質科学研究科, 助教 (90391870)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 完全伝導チャンネル / 量子スピンホール効果 / 超低消費電力デバイス / アンダーソン局在 / 量子輸送 / ナノ薄膜 / ナノ回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
『トポロジカル絶縁体ナノ構造に現れる量子交差点の物理の研究』：弱いトポロジカル絶縁体（WTI）はその異方性により，面の方向や境界条件に応じて，金属的な表面状態を出したり，引っ込めたりすることが可能で，実は強いトポロジカル絶縁体（STI）より制御性が高く，応用上も研究価値が高い．具体的な応用例として，『トポロジカル絶縁体を使った消費電力「ゼロ」のナノ回路の実装』が挙げられる[1]．WTIには異方性があり，劈開面の方向とこの異方性の兼合いで表面状態が現れない絶縁面が存在する．このような劈開面上にナノステップを作ると，それに沿ってトポロジカルに保護された１次元完全伝導チャンネルが現れる．論文[1]では，テラスの淵やアイランドの周りに１次元的な伝導チャンネルがただ１つ現れるやや理想的な状況を考え，このような場合にはこの１次元モードが実際トポロジカルに保護され、不純物に対して頑強であることを検証した．より現実的なナノ構造上に複数の１次元チャンネルが現れ，互いに干渉し合う状況が想定される．本研究ではこのような状況を考え，格子模型を用いたモデル化によりナノ構造物の形状を実装し，主として数値計算に１次元的な伝導チャンネルの不純物に対する頑強性を調べた[2]．このような言わば「量子交差点」の物性を明らかにすることは，消費電力「ゼロ」のナノ回路実装のために重要なステップとなると期待される．
[1] Y. Yoshimura, A. Matsumoto, Y. Takane and K.-I. Imura, “Perfectly conducting channel on the dark surface of weak topological insulators,” Phys. Rev. B 88, 045408 (2013). [2] A. Matsumoto, T. Arita, Y. Takane, Y. Yoshimura and K.-I. Imura, “Manipulating quantum channels in weak topological insulator nano-architectures,” Phys. Rev. B 92, 195424 (2015).
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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
本研究計画のもう１つの軸である『乱れのあるディラック・ワイル半金属系における状態密度スケーリング』[3]については，競争の激しい分野であり，海外の競合する研究グループから少なからぬ研究成果が発表された．例えば，論文[4]．この論文が発表されたため，我々の研究成果の一部が発表しにくくなったかもしれない．現在対策を検討中．
[3] K. Kobayashi, T. Ohtsuki, K.-I. Imura and I. Herbut, “Density of states scaling at the semimetal-to-metal transition in three-dimensional topological insulators”, Phys. Rev. Lett. 112, 016401 (2014).[4] Bitan Roy, Yahya Alavirad, Jay D. Sau, "Global phase diagram of a three dimensional dirty topological superconductor," arXiv:1604.01390.
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| Strategy for Future Research Activity |
『トポロジカルな分類の次元間クロスオーバー』についても調べている．トポロジカル絶縁体ナノ薄膜の場合：２次元極限（＝１層の場合）は，いわゆる量子スピンホール（QSH: quantum spin Hall）系である．これを積層していく．QSH系を積層していくと，WTIになるという見方がある．このとき，積層数の分だけQSH系のヘリカル端状態が現れるため，このような薄膜系の輸送特性には層数に関する偶奇性が現れると期待される．一方で，１層の場合に自明な絶縁体だったものが，積層により，例えば，２層積み重ねただけでトポロジカル絶縁体になるという事象もある．本研究においては，転送行列法+ Landauer公式による伝導度の計算と解析的なアプローチを組み合わせて，トポロジカル絶縁体ナノ薄膜におけるトポロジカルな分類の次元間クロスオーバーを明らかにした[5]．本研究は上智大学の小林浩二博士，大槻東巳教授との共同研究として進めている．『乱れのあるディラック・ワイル半金属系における状態密度スケーリング』について，論文[3]で明らかにされなかった次の点：高次ループ消失の謎，不純物ポテンシャルが有限のレンジを持つ場合：レア・イベントの効果，異なる対称性クラスの模型における臨界指数等をさらに精査していきたい．
[5] K. Kobayashi, K.-I. Imura, Y. Yoshimura and T. Ohtsuki, “Dimensional crossover of transport characteristics in topological insulator nanofilms,” Phys. Rev. B 92, 235407 (2015).
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