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近藤効果とトポロジカル絶縁体が組み合わさるとどうなるか
―新たな切り口で作製した結晶の観測で解明

 大阪大学や茨城大学らによる研究グループがこのほど、近藤絶縁体であるSmB6(六硼化サマリウム)の表面の金属的性質について、トポロジカル絶縁体と同じ起源を有することを、表面電子状態とその電子スピン構造の観測から明らかにしました。

 SmB6は、近藤効果と呼ばれている電子間の多体効果により、バルクでは半導体となる物質群の1つで、「近藤絶縁体」と呼ばれています。しかしながら、その表面は金属的な性質を持っており、その原因が長い間わかりませんでした。最近になって、この表面の状態が、電子状態の対称性のねじれによって表面に特異な電子スピン構造をもつトポロジカル絶縁体と同じ起源を有するという可能性も示唆されましたが、これまで結晶主軸方向をもつ結晶面[ここでは立方体の辺に垂直な正方形の面:(001)方位] のみによる画一的観測では、明確な結論は得られていませんでした。

 そこで今回の研究では、茨城大学大学院理工学研究科の伊賀文俊教授が、困難といえる斜めの面[(111)方位]方向のSmB6 単結晶を育成を手がけました。この結晶面は結晶劈開ができないためにこれまで得られていませんでした。大阪大では、さらにこの(111)面成長のSmB6 単結晶清浄面を、原子レベルで研磨した後に超高真空中で1400℃以上に加熱することで作製し、電子状態と電子スピン構造を調べました。この観測の結果、SmB6が近藤効果とトポロジーが共存した物質(トポロジカル近藤絶縁体)であることが強く示唆されました。

 この研究は、「近藤効果」と「トポロジカル絶縁体」という2つの異なる物性が組み合わされた場合にどのような状態が実現するかについて明確に示したものであり、これまで理解が不十分だったトポロジカル絶縁体と強い電子相関の関係についての研究を大きく進展させることができると考えられます。その発展として、この新しい量子材料を基盤とし、その上にnmサイズの金属薄膜や細線構造を作製することで、たとえば次世代の半導体素子におけるスピントロニクス素子の実現や、スピン伝導過程での電子相関効果の理解と制御など、これまで予測すら困難であった新しい機能性の発現にも繋がるものと考えられ、今後の研究の発展が期待されます。

 詳しくは、プレスリリースをご覧ください。
 >> 目線を変えて解決へ。複雑に見える電子の状態を単純化(大阪大学のホームページ)