トポロジカル絶縁体で新現象―ナノ素子応用研究加速も：東京工業大学/分子科学研究所/広島大学/東京大学/日本原子力研究開発機構/高エネルギー加速器研究機構ほか
(2020年10月8日発表)
東京工業大学、分子科学研究所、広島大学などの研究グループは10月8日、超スマート社会実現に向けて注目される新物質「トポロジカル絶縁体」の応用に新たな道筋を見出だしたと発表した。複数の強磁性層を新物質表面に埋め込むことで、極低温下で起きる特殊な現象をより高い温度で実現できることを実証した。極めて薄いナノデバイス開発への応用研究が加速すると期待している。
研究グループは東工大、分子科学研究所、広島大のほか、（国）日本原子力研究開発機構、東京大学、高エネルギー加速器研究所(KEK)、筑波大学で構成、さらに理論研究の面からロシアとスペインの研究者が加わった。
トポロジカル絶縁体は、物質内部は絶縁体で電気を通さないが、表面には金属状態が存在して電流を流すことができる新しい絶縁体物質。極低温下で強い外部磁場をかけて磁化させると、量子異常ホール効果と呼ばれる現象が起きるが、これまでは2K（絶対温度2度、-271℃）まで温度を下げる必要があった。
これに対し、研究グループはトポロジカル絶縁体であるビスマステルル（Bi2Te3）の高品質薄膜を作製、その上にテルル（Te）と磁性元素のマンガン（Mn）を蒸着した。その結果、表面付近にテルルとマンガンが潜り込み、新しい磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造が形成された。これを磁化させて電気的特性を測定したところ、金属状態にあった薄膜表面で16K（-257℃）のときに量子異常ホール効果に関係するエネルギーギャップが70ｍeV（eVはエレクトロンボルト、エネルギーの大きさの単位）だったが、温度上昇とともに徐々に小さくなり、200K（-73℃）から250K（-23℃）の間で緩やかにゼロになった。
この結果から、研究グループは「これまで2Kまでしか実現されていない量子異常ホール効果をより高温で実現できる可能性がある」として、その性質を生かした極めて薄いナノデバイスの開発研究に役立つとみている。
