物質のエキゾチックな状態を解き放つ: 理研はエッジが不必要であることを証明

理化学研究所2023年6月5日

理研の物理学者らは、円盤状の装置内で量子異常ホール効果と呼ばれる独特の量子状態を実証し、このプロセスにはエッジ状態が必要ないことを証明した。研究チームは、異なる磁気トポロジカル絶縁体で構成される層状のドーナツ型ディスクを使用して、量子異常ホール絶縁体におけるラフリンチャージポンピングを実証した。この発見により、そのような材料におけるさらに新しい電子現象を発見する可能性が広がります。

予想に反して、実験では異常な量子効果を実現するのにエッジは必要ないことが示されました。

理化学研究所の物理学者らは、初めて円盤状の幾何学的形状を持つデバイス内にエキゾチックな量子状態を作成し、エッジが必要ないことを示した。この実証は、他の新しい電子動作を実現する道を開きます。

物理学は長い間、物質の 3 つの古典的な状態、固体、液体、気体から発展してきました。結晶における量子効果の理論的理解が深まり、それらを調査および測定するための高度な実験ツールが開発されたことで、物質のエキゾチックな状態が明らかになりました。

この顕著な例はトポロジカル絶縁体です。トポロジカル絶縁体は、その表面で材料の他の部分とは大きく異なる特性を示す一種の結晶固体です。これの最もよく知られた現象は、トポロジカル絶縁体が表面では電気を伝導しますが、内部では絶縁性であることです。

もう 1 つの現象は、いわゆる「量子異常ホール効果」です。

1 世紀以上前から知られている従来のホール効果は、導体を流れる電流が、電流に直角に印加される磁場によって直線から偏向されるときに発生します。この偏向により、導体に電圧 (および対応する電気抵抗) が発生します。

一部の磁性材料では、磁場が印加されていない場合でもこの現象が発生する可能性があり、これを異常ホール効果と呼びます。

「トポロジカル絶縁体では異常ホール抵抗が非常に大きくなる可能性があります」と理化学研究所創発物性科学研究センターの川村実氏は説明する。「低温では、異常ホール抵抗が増加して基本値に達しますが、電流方向に沿った抵抗はゼロになります。」これは量子異常ホール効果であり、10 年近く前に初めて研究室で観察されました。

今回、川村氏と彼の同僚は、量子異常ホール絶縁体におけるラフリンチャージポンピングとして知られる効果を実証した。

研究チームは、さまざまな磁気トポロジカル絶縁体の層で構成されるドーナツ型のディスクを作製しました（図1）。次に、ドーナツの内側と外側の曲線上の金属電極によって生成される交流磁場に対して、デバイスを流れる電流がどのように反応するかを測定しました。

研究者らは、この磁場によって円柱の端に電荷が蓄積されることを観察しました。これがラフリンチャージポンピングです。

量子異常ホール絶縁体のこれまでの実証では、電極を接続するエッジを含む長方形のデバイスが使用されていました。そして、これらのエッジの電子状態は、量子異常ホール絶縁体を支えるために重要であると考えられていました。

しかし、チームの発見はこの仮定を覆します。「量子異常ホール絶縁体におけるラフリンチャージポンピングのデモンストレーションでは、2 つの電極を接続するエッジチャネルのないディスク状デバイスを使用しました」と川村氏は述べています。「私たちの結果は、他の刺激的な電子現象が量子異常ホール材料で実現できる可能性を高めます。」

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2/p>