東北大ら、「トポロジカル絶縁体」の電子スピンの直接観測に成功

東北大学 原子分子材料科学高等研究機構の相馬清吾助教と高橋隆教授、大阪大学 産業科学研究所の安藤陽一教授らの研究グループは、次世代のスピントロニクスデバイス材料として注目されている「トポロジカル絶縁体」の電子スピン状態を、高分解能スピン分解光電子分光装置により直接観測することで、電子スピンの動作機構の解明に成功したことを発表した。同成果により、次世代の省エネ素子として注目されるスピントロニクスデバイスの開発や、電子スピンを使った量子コンピュータの研究が進むことが期待される。同成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に受理され、オンライン版で公開される。

スピントロニクスデバイスを実現するためには、構成要素となる材料の開発が重要で、シリコンのような半導体は磁石としての性質を持っていないため、電気信号によりスピンの向きを揃えたりする事ができないが、近年、研究により、これまで普通の半導体と考えられてきた物質の中に、「トポロジカル絶縁体」という新たな性質を持った物質があることが分かってきた。

トポロジカル絶縁体は、物質の表面に特殊な電子の通り道を持っており、電子のスピンが上向きか下向きかで、その通り道が前か後ろかの一方通行路になるという性質がある。

この一方通行路を活用して、スピンの流れを生成したり、電気信号をスピンの信号に変換することができるほか、一方通行路では前に進む電子は前にしか進みようがなく、不純物による散乱に非常に強くなるため、信号処理のエラーがおこりにくくなることから、トポロジカル絶縁体を量子コンピュータに応用することも考えられている。

こうした背景から、新材料として大きな可能性を持つトポロジカル絶縁体だが、その物性機能を決めている電子スピンは観測する事自体が難しく、表面の電子状態とスピンの関係についての理解が進んでいないことが、これまでのトポロジカル絶縁体の研究開発の障害となっていた。

今回、研究グループでは、スピン分解光電子分光法を用いて、トポロジカル絶縁体の電子状態の決定を試みた。

大阪大で育成した、Bi₂Te₃と、TlBiSe₂という2種類の大型高品質単結晶試料について、東北大で開発した「超高分解能スピン分解光電子分光装置」を用いて実験を行い、これまで難しかった電子のスピン状態を精密に観測することに成功した。

この結果、TlBiSe₂の表面では電子スピンの向きは表面に沿ってほぼ完全に寝ているのに対し、Bi₂Te₃ではスピンの向きが表面から起き上がっていることが分かった。

さらに、物質の電子を1個ずつ測定できるスピン分解光電子分光法の特徴を活かして、表面の電子の運動状態を詳しく調べたところ、Bi₂Te₃電子の運動状態には星形の歪みがあることも分かった。

これらを理論解析した結果、このような電子スピンの振る舞いは、「ワーピング効果」という相対論効果の一種で説明できることも判明したという。

今回の研究成果は、トポロジカル絶縁体の電子スピンの状態が、電子の運動状態とどのように関わっているのかを、実験的に明らかにしたもので、電子スピンが表面に対して起き上がるための条件が分かったことで、今後、トポロジカル絶縁体の電子スピンを3次元的に自由自在に制御できる可能性が示された事となる。

また、今回の研究成果を新物質の設計や電子スピン状態の制御のための指針とすることで、新しいトポロジカル絶縁体物質の開発が進み、次世代の省エネ技術であるスピントロニクスデバイスや、超高速処理を行う量子コンピュータの実現の可能性がさらに進むものと研究グループでは期待を示している。