東工大・東大・理研、離れていてもつながった電子の軌道運動を実証

発表日:2021年05月07日

離れていてもつながった電子の軌道運動の実証

－ワイル粒子による特異な非局所量子性を観測－

【要点】

○ワイル粒子の存在により電子の軌道運動が二次元から三次元へと拡張できることが理論的に予測されてきたが、これまで観測できていなかった。

○トポロジカル半金属のトランジスタデバイスを測定することで、空間的に離れた表面の電子状態がワイル粒子により結合し量子化された三次元運動を示すことを観測した。

○空間的に離れた電子が相互作用し合う散逸のない伝導を利用することで、超低消費電力エレクトロニクスへの応用が期待される。

【概要】

東京工業大学 理学院 物理学系の打田正輝准教授の研究グループは、東京大学大学院工学系研究科の川崎雅司教授の研究グループ、理化学研究所創発物性科学研究センターの田口康二郎グループディレクターの研究グループと共同で、トポロジカル半金属（用語1）と呼ばれるトポロジカル物質において、空間的に離れた表（おもて）面と裏面の電子状態が結合し、量子化された三次元軌道運動として量子ホール効果（用語2）を示すことを実証した。

打田正輝准教授らは、独自の成膜技術で作製した高品質なトポロジカル半金属薄膜をもとにデュアルゲート型の電界効果トランジスタデバイス（用語3）を作製し、量子ホール効果を観測することに成功した。系統的な電気抵抗測定により、三次元系における量子ホール効果の観測の背景には、空間的に離れた表面電子状態がワイル粒子（用語4）によってつながったワイル軌道が存在することを実証した。今回の結果は、空間的に離れた表面状態がワイル粒子によって結合し、エネルギーを散逸しない形で電子の行き来が可能になることを示している。この特異な非局所性を持つ三次元量子化伝導は、新たな超低消費電力エレクトロニクスの応用アイデアにつながることが期待される。

本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」に5月6日に掲載された。

※以下は添付リリースを参照

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添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/609795/01_202105071436.pdf