東大と理研、トポロジカル半金属のキャリア制御手法を確立――低消費電力エレクトロニクスへの応用に期待

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トポロジカル半金属(Cd1-xZnx)3As2の電子構造(左)とトランジスタ構造でのキャリア濃度の制御(右)

科学技術振興機構(JST)は2018年5月19日、東京大学と理化学研究所が共同で、トポロジカル半金属について、化学置換と電界効果によるキャリア制御手法を確立し、量子化された伝導現象である量子ホール効果の観測を通して、トポロジカル半金属薄膜で実現される電子構造を明らかにしたと発表した。

トポロジカル物質は、電子波動関数に由来して電子状態に非自明なよじれを持ち、金属や半金属、絶縁体などの従来の物質のいずれの分類にも属さない物質群だ。非散逸な電子やスピンの伝導が現れることから、低消費電力エレクトロニクス向けの材料として有望視されている。

従来トポロジカル物質の研究は、主にトポロジカル絶縁体において行われてきたが、近年さまざまなトポロジカル物質の母物質と考えられるトポロジカル半金属が発見され、注目を集めている。トポロジカル半金属は、特殊な条件下で非散逸電流が流れたり、スピン流が生じたりするなど、既存の物質では発生しない特殊な電気的、磁気的な性質が生じる。将来的な応用を考えた場合、その輸送現象の学理構築が求められてきた。

今回の研究では、典型的なトポロジカル半金属であるCd3As2に関して、高い結晶性を持つ薄膜試料を独自の成膜技術で作製。化学置換や電界効果を用いてキャリアを系統的に制御する手法を確立した。また、低キャリア濃度で非散逸な伝導現象である量子ホール状態を観測し、キャリア濃度を制御して測定することで2次元的な電子構造の詳細を明らかにした。

今回の研究結果によって、低消費電力エレクトロニクスへの応用に向けたトポロジカル半金属における伝導現象の解明と、非散逸伝導機能制御の研究が進むことが期待されるという。

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