理化学研究所(理研)と東京大学は2月20日、新物質のトポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3薄膜とインジウムリン(InP)半導体を接合した素子を用い、トポロジカル絶縁体に特徴的なディラック状態を固体と固体の界面で検出したと発表した。

同成果は、東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻の吉見龍太郎博士課程大学院生(強相関物性研究グループ 研修生)、菊竹航氏(強相関理論研究グループ 研修生)と、東京大学大学院 工学系研究科の塚﨑敦特任講師(現東北大学 金属材料研究所 教授および理研 客員研究員)、ジョセフチェケルスキー特任講師(現マサチューセッツ工科大学 准教授および理研 客員研究員)、理研 創発物性科学研究センター 強相関界面研究グループの高橋圭上級研究員、川﨑雅司グループディレクター(東京大学大学院 工学系研究科 教授)、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院 工学系研究科 教授)らによるもの。

詳細は、英国の科学雑誌「Nature Materials」に掲載される予定。

近年見いだされたトポロジカル絶縁体は、内部が絶縁状態で、表面が特殊な金属状態を示す新しい物質である。
特に、表面の金属状態はディラック電子が存在するディラック状態で、光学特性や熱特性、力学特性などに優れたナノ炭素材料のグラフェンにも見られるものである。
ディラック電子は、固体中で質量がなく、不純物の影響も小さいため、従来の半導体よりも高速で固体内を動くことができる。

この特性から、トポロジカル絶縁体は低消費電力素子としての応用が期待され、活発に研究が行われている。
しかし、これまでトポロジカル絶縁体のディラック状態は、真空と固体との境界である表面で実験的に検出されたことはあったが、実際に固体素子へ適用する上で、
必要となる固体と固体との界面では、ディラック状態の検出やその性質についての報告はなかった。

研究グループは、トポロジカル絶縁体の1つである(Bi1-xSbx)2Te3薄膜を既存の半導体材料のインジウムリン(InP)基板上に単結晶成長させ、両者を接合した素子を作製した。
そして、同素子に対して、物質界面の電気的特性を評価し、界面電子の状態を調べることが可能なトンネル伝導測定を行った。


まず、トンネル電流の大きさを磁場と電圧に対して調べた。
その結果、磁場を加えるに伴い、トンネル伝導度の変化量が電圧に対して振動する様子が観測された。
この振動はランダウ量子化と呼ばれる現象によるもので、電子の性質を調べる重要な手掛かりとなる。
さらに、この振動のピーク電圧の磁場変化を調べたところ、磁場の平方根に比例してピーク電圧が変化することが分かった。
この振る舞いはディラック電子に特徴的な振る舞いであり、検出された界面の電子状態がディラック状態であることを示している。

>>2に続く

マイナビニュース 2014/02/21 18:39
http://news.mynavi.jp/news/2014/02/21/477/

プレスリリース
http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140220_2/digest/
http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140220_2/

Nature Materials
Dirac electron states formed at the heterointerface between a topological insulator and a conventional semiconductor
http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n3/abs/nmat3885.html