高次トポロジカル絶縁体として知られる材料の新たに発見された「表面特徴」により、これまで困難であることが証明されていた材料の識別が容易になる可能性がある。米国、フランス、中国、アイルランドの研究者によって開発されたこの技術には、入射光線が材料の表面で反射する際の偏光の変化を測定することが含まれる。まだ実験的には実証されていないが、この技術は、これらの珍しい材料の特性を利用する量子コンピューターやスピントロニクスデバイスの開発に役立つことが証明される可能性がある。

2008 年に発見されたトポロジカル絶縁体は、バルクでは絶縁体として機能しながら、端または表面に沿って非常によく電気を伝導する材料です。一部のトポロジカル絶縁体では、エッジ状態の電流が横方向のスピン流を誘導します。これらの材料は、強力な磁場によって半導体のエッジに沿って電流が流れる、よく知られた量子ホール効果との類推により、量子スピン ホール システムとして知られています。

トポロジカル絶縁体のエッジ状態内では、電子は一方向にのみ移動できます。通常の導体とは異なり、後方散乱はありません。この驚くべき挙動により、トポロジカル絶縁体はほぼゼロの散逸で電流を流すことができます。この特性は、電子デバイスの開発者の間で大きな関心を集めており、この特性を利用して、そのようなデバイスを現在よりもはるかにエネルギー効率の高いものにしたいと考えています。

過去 10 年ほどにわたって、さらに奇妙な特性をもつ追加のトポロジカル材料 (ディラック半金属、ワイル半金属、アクシオン絶縁体など) が出現しました。ごく最近では、バルク、表面、エッジに沿って絶縁性であるが、ヒンジやコーナーで導電性を示す材料が存在すると理論化されています。これらのいわゆる高次トポロジカル絶縁体 (HOTI) のヒンジ状態は、その中の電子伝播の方向が電子のスピンに関連しているため、スピントロニクスの研究にとって興味深いものです。 HOTI はマヨラナ フェルミ粒子にも有望であり、その存在が明確に証明できれば、フォールト トレラントな量子コンピューティングに応用できます。

他の効果と区別するのが難しい

原則的に、HOTI は表面上の 1 次元の線に沿って、つまり境界の境界に沿ってのみ電気を伝導するため、非常に独特です。ただし、実際には、他の現象 (サンプル内の結晶欠陥など) によっても同様の実験痕跡が生じる可能性があるため、これらを検出することは困難です。問題を複雑にしているのは、HOTI 特性は対称性が異常に高い材料でのみ発生すると予測されることです。 バリー・ブラッドリン、物理学者 イリノイ大学アーバナシャンペーン校、新しい研究を共同主導した米国。 「これには、非現実的なほど完璧な結晶構造が必要ですが、これまでのところ、このカテゴリーの材料と一致する実験的兆候を示しているのは、元素ビスマスを含むほんの一握りの材料だけです」とブラッドリン氏は言う。

彼らの仕事では、 ネイチャー·コミュニケーションズ, Bradlynらは、上向きまたは下向きの電子のスピンに焦点を当てて、HOTIの大部分を伝播する電子を分析した。サンプルに電圧が印加されると、これら 2 つのスピン状態が反対側に蓄積されます。研究者らは、このスピン構成が、入射光線がサンプルの表面で反射するときに偏光が変化する、磁気光学カー効果として知られる現象を介して測定可能な痕跡を生成すると計算しました。

研究チームの計算によると、HOTI材料表面の各スピン状態から生じる分極変化は、通常の2D絶縁表面で予想されるもののちょうど半分になるという。 「表面でのこの『スピン分解』応答は、HOTI 材料の堅牢な実験的痕跡の最初の予測を与えるため、刺激的です。」とブラッドリンは言います。

トポロジカル物質の周期表

研究チームがこの研究で特定したHOTIの特性は、量子コンピューティングやスピントロニクスデバイスで非常に役立つ可能性があるとブラッドリン氏は続けるが、研究者はまず実験でそれらを確認する必要があるだろう。 「私たちの研究が、トポロジカル物質の内部と表面には、探し方を知っていればまだ多くの神秘的で有利な特徴があることを示してくれることを願っています。」と彼は言います。

研究者らは現在、形式主義を拡張して、他の対称性によって保護されたトポロジカル結晶絶縁体を解析しようとしている。 「超電導システムについても検討する予定です」とブラッドリン氏は語る 物理学の世界.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/