広島大学 放射光科学研究センター（以下「HiSOR」という）の奥田太一准教授を中心とする研究グループは、結晶の内部に保護され、外界からの影響を受けずに流れるスピン流※1を持つ、新しいタイプのトポロジカル絶縁体※2（スピントロニクス材料）を発見しました。

本研究では、HiSORの高輝度シンクロトロン放射光※3を用い、測定する電子の深さを制御した世界最高水準の分解能の角度分解光電子分光実験と、新しい原理に基づいた世界最高性能の電子スピン分析器を用いたスピン分解光電子分光※4実験が研究成功の鍵となりました。

この結果は、電子スピンを利用したスピントランジスタへの応用など、トポロジカル絶縁体を用いた今後のスピントロニクスデバイスの実用化に向けて大きな弾みとなることが期待されます。

本研究の成果は、11月12日、米国の科学雑誌フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters)のオンライン版に掲載されました。

URL：　http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i20/e206803

論文名："Experimental evidence of hidden topological surface states in PbBi4Te7"

著者：　T. Okuda, T. Maegawa, M. Ye, K. Shirai, T. Warashina, K. Miyamaoto, K. Kuroda, M. Arita, Z. S. Aliev, I. R. Amiraslanov,

　　　　　M. B. Babanly,E. V. Chulkov, S. V. Eremeev, A. Kimura, H. Namatame, and M. Taniguchi

論文掲載番号：Phys. Rev. Lett. 111, 206803 (2013).

（用語説明）

※１　スピン流

　電子の自転に由来した磁石の性質のことをスピンと呼びます。自転の方向に対応して、電子には上向きスピンと下向きスピンの2種類の状態があります。通常の物質中を流れる電流では上向きスピンと下向きスピンの数は同数であり、全体としてはスピンの性質は表れてきません。しかし特殊な状況では、上向きスピンの数と下向きスピンの数がアンバランスとなり、どちらか一方の影響が大きく表れる場合が有ります。このような上向きと下向きのスピンの数が偏った電子の流れをスピン流と呼びます。

※２　トポロジカル絶縁体

　近年理論的に予測され、実験的にただちに検証が行われた新しい絶縁体で、固体内部は絶縁体の性質を示しますが、表面には高速に動く事のできる伝導電子が存在する物質です。トポロジカル絶縁体ではその電気伝導を担う電子のスピンが理論的には完全に偏っており、右向きに動く電子と左向きに動く電子ではスピンの向きが正反対になっています。従ってトポロジカル絶縁体はスピン流を流す為に非常に有効である事が予想され、電荷だけでなくスピンの情報も利用した新しいエレクトロニクスとして注目されるスピントロニクスのデバイスに応用されることが期待されています。

※３　シンクロトロン放射光

　電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向（電子軌道）が曲げられた時に電子軌道の接線方向に放射される強い光のことです。HiSORでは、真空紫外から軟X線の領域の波長の光を利用して、世界最高水準の精密な角度分解光電子分光実験を行うことができます。

※４　スピン・角度分解光電子分光

　結晶の表面に紫外線を照射して、光電効果により結晶外に放出される電子（光電子と呼ばれます）のエネルギーと運動量を同時に測定する実験手法を角度分解光電子分光と呼びます。さらに、電子の持つスピン自由度も観測する実験手法をスピン・角度分解光電子分光と呼びます。この方法により、固体中の電子のエネルギーと運動量の関係（これをバンド分散といいます）を、電子のスピンの状態を分けて観測することができます。精密に観測された微視的なバンド分散から、磁性体の性質をはじめ電子のスピンの性質により表れる様々な物質の性質を明らかにすることができます。

【研究内容に関するお問い合わせ先】

国立大学法人　広島大学　放射光科学研究センター　

准教授　奥田　太一 (おくだ　たいち)


Tel: 082-424-6293　Fax：082-424-6294

E-mail: okudat＊hiroshima-u.ac.jp


【記事に関するお問い合わせ先】

国立大学法人　広島大学　学術・社会産学連携室　広報グループ

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E-mail：koho＊office.hiroshima-u.ac.jp