【研究介绍】发现物质蕴藏的无限可能性

黑田健太准教授

拓扑绝缘体这种物质大致可分为导电性强的金属等导电体、几乎不导电的橡胶等绝缘体和具有其中间性质的硅等半导体这3种类型。但拓扑绝缘体又是不能单单分为这3类的、明明是绝缘体但结晶表面是导电体的一种特殊物质。

渴望的物质、梦想的性质"弱拓扑绝缘体"

　物质具有光泽和透明的光学性质、通电和不通电的电气性质等多种特征。在物性物理学研究中调查出这些性质的发现机理是以创造和控制新的物性为目标。虽然在物性物理学中，所有物质都是研究对象，但是在这其中我专门研究"拓扑绝缘体"。拓扑绝缘体是指金属、半导体、绝缘体所加入的新的电气性质的区分，具有仅表面通电的神奇性质。

　此次我们研究组致力于观测的是局部体现拓扑绝缘体特征中被称为"弱拓扑绝缘体"的东西。理论上可以预想到其存在，但由于只有极少一部分晶体表现出性质，所以观测非常困难，到目前为止还没有发现过。但是，我们通过利用被称为纳米显微镜、角度分解光电子光谱的实验方法，直接观测物质的电子状态，在世界上首次发现了该物质。

利用放射光的观测装置。将作为实验对象的物质放入位于中央机构的超高真空环境中，观察其电子状态

寻找新的信息技术突破口

我们为什么一直致力于观测"弱"拓扑绝缘体呢？原因是，它可以显著提高所有信息设备的性能。拓扑绝缘体具有一种特殊的特性，即电子在表面出现特殊运动，称为自旋流。自旋流没有电阻引起的能量损失，即使电力供应中断，也具有持续保持其性质的不挥发性。这将大大降低设备的功耗。但是，迄今为止的“强拓扑绝缘体”中，产生了各个方向的自旋流，存在技术应用困难的课题。与此相比，"弱拓扑绝缘体”的电子移动被限制在一个方向上，非常稳定，控制也很容易。虽然实用化的路途还很长，但应该能为新设备的开发做出巨大贡献。
　此次，作为弱拓扑绝缘体能够观测到的是一种叫铋卤化物的物质。实际上，尽管作为研究对象进行了多年的研究，但一直认为完全没有实用性。物性物理学的乐趣之一是，根据拓扑学这一新的捕捉方法，可以找到物质隐藏的可能性。今后也会继续探索和引出物质的可能性。