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【研究成果】反強磁性トポロジカル絶縁体を世界で初めて発見! ~未知の素粒子アクシオンの発見に加速~

本研究成果のポイント

  • 反強磁性トポロジカル絶縁体を世界で初めて発見しました。
  • 未知の素粒子アクシオンの引き起こすトポロジカル電気磁気効果の実現に道が開きました。

概要

広島大学大学院理学研究科 木村昭夫教授の研究グループは、ロシア・サンクトペテルブルグ大学やスペイン・ドノスティア国際物理センターなどとの国際共同研究として、広島大学放射光科学研究センターにて高輝度シンクロトロン放射光(*1)やレーザー光を利用した角度分解光電子分光法(*2)を用いて「反強磁性トポロジカル絶縁体」を世界で初めて発見しました。今回の研究成果は、未知の素粒子アクシオン(*3)が引き起こすトポロジカル電気磁気効果などの新しい量子現象の観測に向けた研究が加速されることが期待されます。

本研究の成果は、英国の科学雑誌「Nature」に掲載されるのに先立ち、オンライン版に掲載されました。

用語解説

*1. シンクロトロン放射光
光の速度(地球を一秒間に7週半する速さ)までに電子を加速し、磁場でその進行方向を曲げると、同時に進行方向に強力な光が放出される。これがシンクロトロン放射光である。自然界では星雲の中に放射光を見つけることができるが、地上では専用の加速器が必要である。シンクロトロン放射光は、人類が手に入れた最も強力な光で「夢の光」とも呼ばれる。本実験は広島大学放射光科学研究センターで行われました。当施設は国立大学法人としては唯一の放射光施設で、数多くの国内外ユーザーが利用する、共同利用・共同研究拠点です。

*2. 角度分解光電子分光
物質に光を照射すると、光電効果と呼ばれる現象によって、電子が固体表面から放出されます。この放出された光電子のエネルギーと放出角度を測定し、エネルギー保存則と運動量保存則を利用して固体内部の電子のエネルギーと運動量の決定する手法を角度分解光電子分光と言います。光源としてシンクロトロン放射光(*1)やレーザー光などが用いられます。

反強磁性トポロジカル絶縁体候補物質MnBi2Te4の結晶構造と理論計算による表面バンド構造

図1. (a)反強磁性トポロジカル絶縁体候補物質MnBi2Te4の結晶構造と(b)理論計算による表面バンド構造。

(a)四角で囲まれているように、テルルとビスマスとマンガン(中央)の原子層からできた7層ブロックが基本単位となり、弱い力で積層しています。それぞれのブロックのマンガン層の磁気モーメントがブロックごとに上向きと下向きに交互に並んで正味の磁化を持たない「層状反強磁性」となっています。

(b)理論計算からバルクバンド(緑色)のエネルギーギャップの中に存在するスピン偏極した表面バンドに大きなエネルギーギャップ(86 meV)が予言されました。

論文情報

  • 掲載誌:Nature
  • 論文タイトル: Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator
  • 著者名: M. M. Otrokov1, I. I. Klimovskikh2, D. Estyunin2, A. M. Shikin2, E. F. Schwier3, S. Kumar3, 木村昭夫4, E. V. Chulkov1、他36名
    1 ドノスティア国際物理センター
    2 サンクトペテルブルグ大学
    3 広島大学放射光科学研究センター
    4 広島大学大学院理学研究科
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1840-9
【お問い合わせ先】
広島大学大学院理学研究科物理科学専攻
教授 木村 昭夫

TEL: 082-424-7400 
E-mail: akiok*hiroshima-u.ac.jp
(注:*は半角@に置き換えてください)


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