トポロジカル絶縁体の表面金属状態の絶縁化

-特殊な電気磁気効果観測のための物質基盤を確立-

2017.03.02

理化学研究所 川村 稔

 理化学研究所の茂木将孝 研修生(東京大学大学院工学系研究科)、川村稔 専任研究員らの研究グループは、磁性層と非磁性層を交互に積み重ねたトポロジカル絶縁体積層薄膜を作製することで、特殊な電気磁気効果の発現が期待される新しい量子状態を実現することに成功しました。
トポロジカル絶縁体は、結晶中の電子状態のトポロジーを反映して、内部は絶縁体である一方、表面には金属状態が現れる物質です。トポロジカル絶縁体では、電場を加えると磁化が生じ、逆に磁場を加えると電気分極が生じる「電気磁気効果」が起こると期待されています。「電気磁気効果」の観測には、表面の金属状態を絶縁化する必要がありますが、従来のやり方では表面状態を完全に絶縁化するのは不可能でした。
今回、理研を中心とする研究グループは、「磁気変調ドーピング」という手法で、トポロジカル絶縁体(Bi, Sb)2Te3とCrx(Bi, Sb)2-xTe3を磁性/非磁性/磁性の三層に積層した薄膜を作製しました。この薄膜の電気伝導を調べ、二つの磁性層の磁化が反平行になると電流が流れなくなり、表面状態が完全に絶縁化することを確かめました。この結果は、理論的に予測されている特殊な電気磁気効果観測のための物質基盤を確立したことになります。

参考URL(詳細情報): http://www.riken.jp/pr/press/2017/20170214_1/
原論文情報: M. Mogi, M. Kawamura, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, N. Shirakawa, K. S. Takahashi, M. Kawasaki and Y. Tokura, "A magnetic heterostructure of topological insulators as a candidate for an axion insulator", Nature Materials, doi: 10.1038/nmat4855