東京大学など、半金属ビスマスがトポロジカル物質であることを解明

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東京大学は2016年11月21日、お茶の水女子大学、広島大学、国立清華大学(台湾)、NSRRC研究所(台湾)と共同で、半金属ビスマスがトポロジカル物質であることを解明したと発表した。

トポロジカル物質は、量子力学原理に基づく性質を持った材料で、絶縁体の表面のみで電気が流れるなど、身の回りの物質とは異なる特殊な性質を持つ。このために次世代の情報技術に応用可能な材料として注目されている物質群だ。

代表的な半金属材料であるビスマスは、さまざまなトポロジカル物質を合成するのに欠かせない材料だが、純粋なビスマス結晶自体がトポロジカル物質かどうかは長らく解明されていなかった。

トポロジカルな性質を解明するためには、電子状態を光電子分光法という実験方法で直接測定するのが確実な方法だが、ビスマス結晶は量子力学の不確定性原理で決まる測定限界を持っているため、光電子分光法による正確な測定ができなかった。

同研究では、原子レベルで制御したビスマスの超高品質な膜を合成し、内在する電子波の干渉効果を測定することでこの問題を回避した。そして最先端の光電子分光法による超精密測定により、ビスマス結晶のトポロジー量を決定。ビスマス結晶がトポロジカル物質であることを証明した。

同研究は、現在次々と提案されつつある新しいトポロジカル物質の精密測定において、力を発揮することが期待されるという。

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