物理学者は、結晶材料中に「ハイブリッド トポロジー」と呼ばれる新しい量子効果を観察しました。この発見は、次世代の量子科学および工学のための効率的な材料および技術の開発に新たな可能性を切り開きます。
この発見は、 自然は、プリンストンの科学者が、ヒ素 (As) 原子で作られた元素固体結晶が、これまでに観察されたことのない形態のトポロジカル量子挙動をホストしていることを発見したときに起こりました。彼らは、走査トンネル顕微鏡 (STM) と光電子分光法を使用して、この新しい量子状態を探索し、画像化することができました。光電子分光法は、分子や原子内の電子の相対エネルギーを決定するために使用される技術です。
この状態は、2 つの形式のトポロジカル量子挙動、つまりエッジ状態と表面状態 (2 種類の量子 2 次元電子系) を組み合わせ、または「ハイブリッド化」します。これらは以前の実験でも観察されていますが、それらが混合して新しい物質状態を形成する同じ材料内で同時に観察されることはありません。
「この発見は完全に予想外でした」と研究を主導したプリンストン大学のユージン・ヒギンズ物理学教授、M・ザヒド・ハサン氏は語った。 「観測前に理論的にそれを予測した人は誰もいませんでした。」
近年、物質のトポロジカル状態の研究は物理学者や技術者の間で大きな注目を集めており、現在では国際的な関心と研究の焦点となっています。この研究分野では、量子物理学とトポロジー (変形は可能だが本質的には変化しない幾何学的特性を探求する理論数学の分野) を組み合わせます。
10 年以上にわたり、科学者たちはビスマス (Bi) ベースのトポロジカル絶縁体を使用して、主に Bi とセレン (Se) を混合するなどの化合物材料を製造することによって、バルク固体におけるエキゾチックな量子効果を実証および調査してきました。しかし、この実験は、元素 As で作られた結晶でトポロジカル効果が発見された初めての実験です。
「物質の新しいトポロジカル特性の探索と発見は、基礎物理学の観点からも、次世代の量子科学や工学における潜在的な応用の発見の観点からも、現代物理学で最も求められている宝の一つとして浮上しています。」と同氏は述べた。持っています。 「元素固体で作られるこの新しいトポロジカル状態の発見は、プリンストンの研究室における複数の革新的な実験の進歩と機器によって可能になりました。」
要素固体は、トポロジーのさまざまな概念をテストするための貴重な実験プラットフォームとして機能します。これまで、ビスマスはトポロジーの豊富なタペストリーをホストする唯一の元素であり、20 年にわたる集中的な研究活動につながりました。これは、材料の清浄さと合成の容易さに部分的に起因します。しかし、ヒ素におけるさらに豊富なトポロジカル現象の今回の発見は、新たな継続的な研究の方向性への道を開く可能性があります。
「さまざまな相関現象と同様に、異なる位相秩序も相互作用し、新しく興味深い量子現象を引き起こす可能性があることを初めて実証しました」とハサン氏は述べた。
トポロジカル物質は、量子トポロジーの謎を調査するために使用される主な構成要素です。このデバイスは内部で絶縁体として機能します。つまり、内部の電子は自由に動き回れず、したがって電気を通しません。
ただし、デバイスの端にある電子は自由に動き回ることができ、これは導電性であることを意味します。さらに、トポロジーの特殊な特性により、エッジに沿って流れる電子は欠陥や変形によって妨げられません。このタイプのデバイスには、改善するだけでなく、 テクノロジー だけでなく、量子の電子特性を調査することで、物質自体についてのより深い理解を生み出すこともできます。
Hasan 氏は、トポロジカル材料を実用的な用途に使用することに大きな関心が寄せられていると指摘しました。しかし、これを実現するには、2 つの重要な進歩が起こる必要があります。まず、量子トポロジカル効果は高温で発現する必要があります。第二に、トポロジカル現象をホストできる単純な要素材料システム (従来のエレクトロニクスのシリコンなど) を見つける必要があります。
「私たちの研究室では、両方の方向に取り組んでいます。本質的なトポロジー効果が見出せる、製造が容易な、よりシンプルな材料系を探しています」とハサン氏は語った。 「私たちはまた、これらの効果が室温でどのように存続するかを研究しています。」
実験の背景
この発見のルーツは、1985 年のノーベル物理学賞の対象となったトポロジカル効果の一形態である量子ホール効果の仕組みにあります。それ以来、トポロジカル相が研究され、トポロジカル位相を備えた多くの新しい種類の量子材料が研究されてきました。電子構造が発見されました。最も注目すべきは、プリンストン大学のアーサー・ルグラン・ドティ電気工学名誉教授ダニエル・ツイ氏が、分数量子ホール効果の発見により1998年のノーベル物理学賞を受賞したことである。
同様に、プリンストン大学のユージン・ヒギンズ物理学教授、F・ダンカン・ハルダン氏は、トポロジカル相転移と一種の二次元（2016D）トポロジカル絶縁体の理論的発見により、2年のノーベル物理学賞を受賞した。その後の理論的発展により、トポロジカル絶縁体は、電子のスピン軌道相互作用に基づいたハルダン モデルの XNUMX つのコピーの形をとることができることが示されました。
ハサンと彼の研究チームは、トポロジカル絶縁体の他の側面を調査し、物質の新しい状態を探索することで、これらの研究者の足跡をたどってきました。これにより、2007 年に三次元 (3D) トポロジカル絶縁体の最初の例が発見されました。それ以来、ハサン氏と彼のチームは、室温でも動作できる最も単純な形の新しいトポロジカル状態を XNUMX 年にわたって探索してきました。
「第一原理理論と組み合わせた適切な原子化学と構造設計は、高温環境におけるトポロジカル絶縁体の推測的予測を現実的なものにするための重要なステップです」とハサン氏は述べた。
「量子材料は数百種類あり、最終的に徹底的な探査に適した材料を見つけるには、直感、経験、材料固有の計算、そして熱心な実験努力の両方が必要です。そして、私たちは 10 年に及ぶ多くのビスマスベースの材料を調査する旅に出発し、多くの基礎的な発見につながりました。」
実験
ビスマスベースの材料は、少なくとも原理的には、高温で物質のトポロジカル状態を維持することができます。ただし、これらには超高真空条件下での複雑な材料の準備が必要であるため、研究者らは他のいくつかのシステムを検討することにしました。博士研究員のシャファヤット・ホサイン博士は、ヒ素は多くのビスマス化合物よりもきれいな形態で成長できるため、ヒ素でできた結晶を提案しました。
Hasan グループの大学院生である Hossain 氏と Yuxiao Jiang 氏がヒ素サンプルに STM を向けたとき、劇的な観察結果が得られました。金属的な外観を持つヒ素の一種である灰色ヒ素には、トポロジカルな表面状態とエッジ状態の両方が含まれているということです。同時に。
「私たちは驚きました。灰色ヒ素は表面状態のみを持つと考えられていました。しかし、原子ステップエッジを調べたところ、美しい伝導エッジモードも見つかりました」とホセイン氏は語った。
「孤立した単層ステップエッジはギャップレスエッジモードを持つべきではない」と研究の共同筆頭著者である Jiang 氏は付け加えた。
これは、英国のインペリアル・カレッジ・ロンドンの博士研究員で物性理論家のフランク・シンドラー氏と、アラバマ州バーミンガムのアラバマ大学の博士研究員ラジブル・イスラム氏の計算で見られたものである。両者はこの論文の共同筆頭著者である。
「バルクサンプルの上にエッジを置くと、表面状態がエッジ上のギャップのある状態と混成し、ギャップのない状態が形成されます」とシンドラー氏は述べた。
「このようなハイブリッド化を見るのは初めてだ」と彼は付け加えた。
物理的には、ステップエッジ上のこのようなギャップレス状態は、強いトポロジカル絶縁体または高次のトポロジカル絶縁体では個別に期待されるものではなく、両方の種類の量子トポロジが存在するハイブリッド材料でのみ期待されます。このギャップのない状態は、それぞれ強いトポロジカル絶縁体の表面状態や高次のトポロジカル絶縁体の表面状態やヒンジ状態とは異なります。これは、プリンストンのチームによる実験観測が、これまでに観測されたことのないタイプのトポロジカル状態を即座に示したことを意味しました。
カリフォルニア工科大学物理学部門長であり、この研究には関与していない研究者であるデイビッド・シェイ氏は、この研究の革新的な結論を指摘した。
「通常、材料のバルクバンド構造は、いくつかの異なるトポロジカルクラスのいずれかに分類され、それぞれが特定のタイプの境界状態に関連付けられていると考えられます」とシェ氏は述べた。 「この研究は、特定の材料が同時に 2 つのクラスに分類される可能性があることを示しています。最も興味深いのは、これら 2 つのトポロジーから出現する境界状態が相互作用し、単なる部分の重ね合わせ以上の新しい量子状態を再構築できることです。」
研究者らはさらに、系統的な高分解能角度分解光電子分光法を用いて走査型トンネル顕微鏡測定を実証した。
「灰色の As サンプルは非常にきれいで、トポロジカルな表面状態の明確な痕跡が見つかりました」と、ハサン グループの大学院生で、光電子放出測定の一部を行った論文の共同筆頭著者である Zi-Jia Cheng 氏は述べています。 。
複数の実験手法を組み合わせることで、研究者らはハイブリッド トポロジカル状態に関連する独特のバルク表面エッジの対応関係を調査し、実験結果を裏付けることができました。
調査結果の意味するところ
この発見の影響は 2 つあります。トポロジカルエッジモードと表面状態を組み合わせた観察は、新しいトポロジカル電子輸送チャネルを設計する道を開きます。これにより、新しい量子情報科学や量子コンピューティングデバイスの設計が可能になる可能性があります。
プリンストンの研究者らは、トポロジカルエッジモードが結晶の対称性と互換性のある特定の幾何学的構成に沿ってのみ存在することを実証し、将来のさまざまな形態のナノデバイスやスピンベースのエレクトロニクスを設計する道筋を明らかにした。
より広い観点から見ると、新しい材料や特性が発見されると社会は恩恵を受けるとハサン氏は述べた。量子材料では、強力なトポロジーをホストするアンチモンや高次トポロジーをホストするビスマスなど、材料プラットフォームとしての元素固体の同定は、トポロジカル材料の分野に多大な恩恵をもたらした新規材料の開発につながりました。
「私たちは、その独自のトポロジーを持つヒ素が、既存のプラットフォームでは現在アクセスできない新しいトポロジー材料や量子デバイスを開発するための同様のレベルの新しいプラットフォームとして機能できると考えています」とハサン氏は述べた。
プリンストンのグループは、15 年以上にわたり、トポロジカル絶縁体材料を探索するための新しい実験を設計および構築してきました。たとえば、2005 年から 2007 年にかけて、ハサン率いるチームは、新しい実験方法を使用して、三次元ビスマス-アンチモンのバルク固体、半導体合金、および関連するトポロジカル ディラック材料におけるトポロジカル秩序を発見しました。
これがトポロジカル磁性材料の発見につながりました。 2014 年から 2015 年にかけて、彼らは磁性ワイル半金属と呼ばれる新しい種類のトポロジカル材料を発見、開発しました。
研究者らは、この発見が量子技術、特にいわゆる「グリーン」技術における将来の研究の可能性と応用への扉を開くと信じている。
「私たちの研究は、省エネルギー用途を備えた量子エレクトロニクスにおけるトポロジカル材料の可能性を実証する上での一歩前進です」とハサン氏は語った。