新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の作成に成功 磁性とトポロジカル物性の協奏現象に新たな知見

要点

• トポロジカル絶縁体の表面付近に複数の磁性層を埋め込むことに成功
• トポロジカル表面状態のエネルギーギャップが磁化秩序の発現温度より一桁高い温度で閉じることを実証
• 高温での量子異常ホール効果の実現、デバイス開発に新たな道

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授は、分子科学研究所の田中清尚准教授、広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、日本原子力研究開発機構の竹田幸治研究主幹、東京大学大学院工学系研究科の小林正起准教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の雨宮健太教授、筑波大学数理物質系の黒田眞司教授、物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点の佐々木泰祐主幹研究員、ロシア・スペインの理論グループと共同で、トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し、その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序^[用語1]の発現する温度より高い温度で閉じることを実証した。

トポロジカル絶縁体とは、物質内部は絶縁体で電流を通さないが、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しい絶縁体であり、「量子物質」^[用語2]として注目されている。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性質である磁化秩序を導入することで、輸送特性として量子異常ホール効果^[用語3]が実現する。磁性トポロジカル絶縁体では表面に存在するディラック電子^[用語4]にエネルギーギャップが開くが、これまでの研究では、理論の予想する磁化秩序（磁性）とディラックコーンのエネルギーギャップの相関が実験的に正しいのか明確でなく、論争になっていた。

今回、トポロジカル絶縁体であるBi₂Te₃（ビスマステルル化合物）薄膜上にさらにTe（テルル）と磁性元素Mn（マンガン）を蒸着したところ、表面近傍にMnとTeが潜り込み、Mn₄Bi₂Te₇/Bi₂Te₃という新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造^[用語5]が形成された。そしてこの物質の表面ディラックコーンのエネルギーギャップは、磁化秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、最終的には閉じることが示された。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され、デバイス応用につながることが期待できる。

本成果は、2020年 9月24 日に、英国科学誌「Nature Communications（ネイチャー・コミュニケーションズ）」にオンライン掲載された。

背景

物質をトポロジー^[用語6]によって分類する考え方は2016年のノーベル物理学賞の受賞対象であり、現在、盛んに研究されている。その代表例がトポロジカル絶縁体であり、物質内部では絶縁体で電流を通さないが、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しいタイプの絶縁体として、超スマート社会実現に向けた「量子物質」として注目を集めている。

トポロジカル絶縁体の表面状態はトポロジーによって保護された、質量のないスピン偏極ディラック電子になっている（図1(a)）。磁化秩序を導入すると、金属的であった表面状態にエネルギーギャップが開き、質量のあるスピン偏極ディラック電子へと変化する（図1(b)）。これは新たなトポロジカル相であり、電子の輸送特性を測定すると量子異常ホール効果が観測される。しかし量子異常ホール効果が観測される温度は最高でも2 K（－271 ℃）と非常に低い温度にとどまっており、新たな物質開拓が望まれている。

理論的には磁性トポロジカル絶縁体での磁性の発現と、表面ディラック電子にギャップが開くことは相関している。しかしこれまで行われてきた実験では、磁化秩序が発現する温度（Tc）よりはるかに高い温度までディラック電子にギャップが開き続け、消失しない例が多数報告されていた。一方で、Tc以下でもギャップが生じていないケースもあった。また、Tc以下でも温度上昇とともに磁化秩序は弱くなるため、表面状態のギャップの大きさも小さくなりやがて閉じることが予想されるが、そのような詳細な温度依存性が観測されている例もほとんどなかった。それゆえ磁性トポロジカル絶縁体のエネルギーギャップが磁性起源で開いているのではないことさえ示唆されていた。

研究成果

今回、東京工業大学を中心とする研究グループは高品質のビスマステルル（Bi₂Te₃）薄膜を作成し、その上にさらにTeと磁性元素マンガン（Mn）を蒸着しヘテロ構造を作成し磁性の導入を行った。そして分子科学研究所の極端紫外光研究施設UVSORと広島大学放射光科学研究センターHiSORでスピンおよび角度分解光電子分光^[用語7]により、この物質の電気的特性を測定した。その結果、このヘテロ構造の表面状態には16 K（－257 ℃）で70 meVのギャップが確かに開いていた（図2(a)）。温度を上昇させ詳細な測定を行ったところ、ギャップの大きさは徐々に小さくなり、200 K（－73 ℃）から250 K（－23 ℃）の間で緩やかに閉じることが観測された。

一方、SPring-8の日本原子力研究開発機構管理のビームラインおよび高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所 フォトンファクトリーにおけるX線磁気円二色性（XMCD）^[用語8]、さらに筑波大学における超伝導量子磁束干渉計（SQUID）^[用語9]を用いた磁気特性測定により、このヘテロ構造ではTc = 20 K（－253 ℃）で磁化秩序が消失することが分かった。このように磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の表面状態のギャップが、磁気秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、やがて閉じることを世界で初めて観測した。

さらに、物質・材料研究機構での高分解能透過電子顕微鏡（TEM）^[用語10]を用いた構造解析により、この試料はMn原子が試料最表面のBi₂Te₃内部に4層埋め込まれた、Mn₄Bi₂Te₇/Bi₂Te₃ヘテロ構造を含むことが分かった（図2(b)）。これまでの磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造は磁性原子層が1層だけトポロジカル絶縁体の最表面に埋め込まれていたものであり、複数の磁性原子層を埋め込んだものの作成に世界で初めて成功した。これらの結果はロシア・スペインのグループが行った第一原理計算によっても支持された。

本研究に関する各研究機関の役割

今後の展開

今回の研究は、トポロジカル絶縁体に複数の強磁性層を埋め込む新たな方法を発見し、磁性と表面状態のエネルギーギャップの関係に新たな知見を与えたものである。このアプローチは、従来量子異常ホール効果の研究に用いられてきた、磁性不純物ドープのトポロジカル絶縁体や、1層の磁性層が埋め込まれた磁性トポロジカル絶縁体と大きく異なる。表面ディラックコーンギャップが磁化秩序の発現温度より一桁高い温度まで開いている性質を用いれば、これまで2 K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。さらに、そのトポロジカルな性質を生かした極めて薄いナノデバイスの開発の応用研究が加速することが期待できる。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Fabrication of a novel magnetic topological heterostructure and temperature evolution of its massive Dirac cone
著者 :	T. Hirahara, M. M. Otrokov, T. Sasaki, K. Sumida, Y. Tomohiro, S. Kusaka, Y. Okuyama, S. Ichinokura, M. Kobayashi, Y. Takeda, K. Amemiya, T. Shirasawa, S. Ideta, K. Miyamoto, K. Tanaka, S. Kuroda, T. Okuda, K. Hono, S. V. Eremeev, and E. V. Chulkov
DOI :	10.1038/s41467-020-18645-9

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• 平原研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 平原徹 Toru Hirahara
• 理学院 物理学系
• 量子物理学・ナノサイエンス先端研究センター
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