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東北大と阪大など、新しいトポロジカル物質「ワイル半金属」を発見

2016-05-03

新しいトポロジカル物質
「ワイル半金属」を発見
−超高速・低消費電力な次世代デバイスの開発に弾み−


【概要】
 東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の相馬清吾准教授、高橋 隆教授、同理学研究科の佐藤宇史准教授、大阪大学産業科学研究所の小口多美夫教授、ケルン大学(ドイツ)の安藤陽一教授らの研究グループは、新型トポロジカル物質「ワイル半金属」の発見に成功しました。今回の成果により、超高速でかつ消費電力を低く抑えた次世代デバイスの開発が大きく進展するものと期待されます。
 本成果は、米国物理学会フィジカル・レビュー・Bの「注目論文」に選ばれ、平成28年4月20日(米国東部時間)にオンライン速報版に掲載されました。


【研究の背景】
 あたかも質量のないような粒子として物質中を高速に移動する「ディラック電子」(注1)をもつ物質が、いま大きく注目されています。代表的な例が、黒鉛を厚さ1原子分まで薄くした原子層物質として知られるグラフェン(注2)です。グラフェンディラック電子はシリコンの10倍以上の移動度を持ち、極めて高い電気伝導・熱伝導性を示します。グラフェンが発見されて以降、超高速かつ低消費電力で動作するデバイスへの応用を目指して、グラフェンや、それに続くディラック電子物質の研究は爆発的な広がりを見せています。
 これまで発見されたディラック電子は、グラフェンのように極めて薄い2次元領域に存在します。その自然な拡張として、3次元的なディラック電子をもつ物質ができれば、応用の範囲は格段に広がると考えられます。3次元空間での質量ゼロの粒子は、「ワイル粒子」(注3)という、ディラック電子と似ていながらも本質的に異なる粒子であることが知られています(図1)。ワイル粒子は光速で移動する粒子として87年前に提案されていましたが、素粒子として実証された例はまだありません。しかし最近になり、ある種の半金属において電子のスピン(注4)縮退を解くことで、物質内にワイル粒子が生成されるという予測がなされ注目を集めています。このワイル粒子にはトポロジカル(位相幾何学的)(注5)な性質があり、カイラリティ(注6)(スピンと粒子の運動方向が平行か反平行かを表す指標)の符号の異なる2つの粒子がペアで発現します(図1)。その2つのワイル粒子は、互いに衝突しない限り絶対に質量を持つことがないという際立った性質があります。このワイル粒子を物質内に内包した新しい種類の物質「ワイル半金属」がごく最近理論的に提案され、その物質合成とワイル粒子の実験的検証が強く待ち望まれていました。


【研究の内容】
 今回、東北大学、大阪大学ケルン大学の共同研究グループは、NbP(Nb:ニオブ、P:リン)(図2)の高品質大型単結晶の育成に成功し、外部光電効果(注7)を利用した角度分解光電子分光(注8)という手法を用いて、NbPから電子を直接引き出して、そのエネルギー状態を高精度で調べました(図3)。ワイル半金属の表面では、「フェルミ弧」(注9)という、開いた形状の電子状態が発現することが理論的に予測されています。研究チームは、NbPの結晶構造に着目し、Nb表面とP表面の二つの異なる表面の電子状態を詳しく調べ、ワイル半金属を特徴付けるフェルミ弧電子状態が、Nb表面とP表面で全く異なる形状をしていることを明らかにしました(図4)。研究チームはさらに、二つのフェルミ弧を重ねることで、その交点が固体中でワイル粒子の存在する位置に対応していることも見出しました。この結果により、NbPが新型のワイル半金属であることが実験的に確立されました。


【今後の展望】
 今回の研究は、ワイル粒子という長年その実証を待ち望まれていた粒子が、実際の固体物質内に存在することを示したものです。ワイル粒子は、高い電気伝導・熱伝導性という際立った性質を持つため、今回の発見により、低消費電力の超高速電子デバイスの開発に弾みがつくと考えられます。さらにワイル半金属では、磁場がなくてもホール電圧が発生する異常ホール効果(注10)や、磁場と同じ方向に電流が生ずるカイラル磁気異常(注11)といった様々な興味深い現象が理論的に予測されており、今回の発見を契機にして、これらの研究が大きく進展することが期待されます。

 本成果は、科研費新学術領域「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」(領域代表者:川上則雄)、科研費基盤研究(A)「スピン分解ARPESによる機能性薄膜ハイブリッドの創出」(研究代表者:高橋 隆)、および、学際研究重点プログラム「原子層超薄膜における革新的電子機能物性の創発」(研究代表者:高橋 隆)などの援助によって得られました。

 *用語解説・参考図は添付の関連資料を参照


【論文情報】
 <著者>S.Souma,Z.Wang,H.Kotaka,T.Sato,K.Nakayama,Y.Tanaka,H.Kimizuka,T.Takahashi,K.Yamauchi,T.Oguchi,K.Segawa,andY.Ando,
 <タイトル>“Direct observation of nonequivalent Fermi−arc states of opposite surfaces in the noncentrosymmetric Weyl semimetal NbP”,
 <掲載誌>Physical Review B 93, 161112(R)(2016).(Editors’suggestion)
 <DOI>10.1103/PhysRevB.93.161112


【発表雑誌】
 Physical Review B オンライン速報版、2016年4月20日公開(米国東部時間)


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