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【研究成果】電荷密度波で電子構造の「ねじれ」をスイッチする~トポロジカル状態の高速制御に向けた新しい指針を開拓~

本研究成果のポイント

  • 電荷密度波(注1)を形成するVTe2(V:バナジウム、Te:テルル)の電子構造の解明に成功。
  • 電子構造の「ねじれ」で記述されるトポロジカルな性質(注2)が電荷密度波の形成とともに変化する現象を発見。
  • 電場や光照射などで制御しやすい電荷密度波を利用した、新しいトポロジカル状態制御の指針を提案。

概要

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の三石夏樹大学院生、同研究科附属量子相エレクトロニクス研究センターの石坂香子教授らの研究グループは、同研究科物理工学専攻のMohamed Saeed Bahramy主幹研究員、求幸年教授らの研究グループ、高エネルギー加速器研究機構の組頭広志教授らの研究グループ、広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授らの研究グループ、大阪大学大学院基礎工学研究科物質創成専攻の石渡晋太郎教授らのグループと共同で、VTe2(V:バナジウム、Te:テルル)の電子構造を実験・理論の両面から解明し、電荷密度波の形成とともにトポロジカルな性質が変化する現象を発見しました。

近年、数学におけるトポロジー(位相幾何学)の概念を物質中の電子構造に適用することで分類される「トポロジカル物質」への関心が高まっています。トポロジカル物質においては、固体内部とは異なる特殊な電子状態が表面に存在し、これによって新しい電気的・磁気的特性が出現します。このようなトポロジカル物質を実現するには、固体中の電子構造が真空とは異なるトポロジー、すなわちメビウスの輪のような「ねじれ(バンド反転と呼ばれる)」を持つことが重要です。このような「ねじれ」は通常、物質の構成元素を変えたり強い圧力や歪みを加えたりすることで作ることができますが、このON/OFFを超高速で切り替えるためには、電場や光などを用いた制御が求められます。
本研究グループは、遷移金属カルコゲナイドの一種であるVTe2を対象とし、スピン分解・角度分解光電子分光法(注3)と第一原理計算(注4)を用いて、固体内部や表面における電子構造を詳細に調べました。その結果、電荷密度波が形成されると固体内部の電子構造が大きく変化し、それに伴ってトポロジカルな表面状態が一部消失することが明らかとなりました。今回の発見は電荷密度波とトポロジカルな性質を合わせ持つ新しいタイプのトポロジカル物質の開発へ新たな指針を提唱するとともに、今後のトポロジカル物性制御に向けた前進に貢献することが期待されます。
本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」に掲載されました。

本研究の一部は、日本学術振興会 科学研究費(JP17H01195, JP19H05826)、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業(JPMJCR16F1, JPMJCR16F2)などの支援を受けて行われました。

角度分解光電子分光測定によって得られた、高温・一様相(左)と低温・電荷密度波相(右)における電子構造。電荷密度波が形成されると、一部のV字型のバルク状態が平坦な形状へと変化し(ピンク曲線)、それに伴いトポロジカル表面状態(水色破線)が消失する。平坦なバルク状態は、バナジウム原子の特定のd軌道が3個連なった三量体を形成することにより生じることが示された(下図)。

用語解説

(※1) 電荷密度波
結晶中の電子の密度(濃淡)が特定の周期で波状に分布する状態を指します。一般に電荷密度波状態では電子密度とともに結晶構造も波状の変調を受け、結晶の周期性や対称性も変化します。

(※2) トポロジカルな性質
トポロジーとは、数学分野における図形の分類に関する学問を指す用語です。例えばドーナツとマグカップはどちらも穴が一つであるという点で、トポロジカルに同じものと分類されます。物質の持つトポロジカルな性質もその電子構造を調べることにより同様に分類することができます。

(※3) スピン分解・角度分解光電子分光法
物質にある一定以上のエネルギー(この値は仕事関数と呼ばれ、物質ごとに固有の値をとります)をもつ光を照射すると光電子が放出されます(この現象は外部光電効果と呼ばれます)。放出された光電子には物質内における電子構造の情報が含まれており、角度分解光電子分光法は物質に単色光を照射した際に光電効果で放出される光電子の運動エネルギーと放出角度を測定することで物質の電子構造を明らかにする手法です。スピン分解・角度分解光電子分光法では加えてスピン検出器を用いて光電子のスピンの向きを測ることで、物質中における電子スピンの向きも決定できます。

(※4) 第一原理計算
量子力学の基礎方程式に基づいて、実験で得られる経験的な値を用いることなく、結晶構造のみから物質の電子状態や物性を計算する手法を指します。

論文情報

  • 掲載誌: Nature Communications
  • 論文タイトル: Switching of band inversion and topological surface states by charge density wave
  • 著者名: N. Mitsuishi, Y. Sugita, M. S. Bahramy, M. Kamitani, T. Sonobe, M. Sakano, T. Shimojima, H. Takahashi, H. Sakai, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Taguchi, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ishiwata, Y. Motome, K. Ishizaka
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16290-w
【お問い合わせ先】

<研究に関すること>
東京大学工学系研究科物理工学専攻
大学院生 三石 夏樹
TEL: 03-5841-7903
E-mail: mitsuishi*sssi.t.u-tokyo.ac.jp
(注:*は半角@に置き換えてください)

東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター
教授 石坂 香子
TEL: 03-5841-6849
E-mail: ishizaka*ap.t.u-tokyo.ac.jp
(注:*は半角@に置き換えてください) 

広島大学放射光科学研究センター
教授 奥田 太一
TEL:082-424-6293 
E-mail:okudat*hiroshima-u.ac.jp
(注:*は半角@に置き換えてください) 

<報道に関すること>
国立大学法人広島大学 財務・総務室広報部広報グループ
Email:koho*office.hiroshima-u.ac.jp
(注:*は半角@に置き換えてください) 


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