2024年 | プレスリリース?研究成果
安定して存在するトポロジカルなキラル量子細線を発見 -量子ビットや高効率太陽電池への応用に期待-
【本学研究者情报】
〇大学院理学研究科物理学専攻
助教 中山耕輔（なかやまこうすけ）
材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史（さとう たかふみ）
【発表のポイント】
- 黒铅を薄くしてグラフェン（注1）にすると性质が変化するように、トポロジカル絶縁体（注2）も薄くすると性质が剧的に変わることが予想されています。
- テルル（罢别）からなる原子レベルで细い线（量子细线（注3））が、1次元トポロジカル絶縁体であることを明らかにしました。
- 量子コンピューターで処理する情报の最小単位である量子ビットや高効率太阳电池といった応用につながる可能性があります。
【概要】
金属、絶縁体、半导体に次ぐ固体の新しい状态であるトポロジカル絶縁体は、次世代の超低消费电力デバイスへの応用が期待されており、その基础となる理论研究に2016年のノーベル物理学赏が授与されるなど、大きな注目を集めています。また、グラフェンの発见（2010年ノーベル物理学赏）を契机に、新しい机能性材料として、原子1个から数个分の厚さの薄膜や量子细线の研究が世界中で进められています。究极的に小さな量子细线のトポロジカル絶縁体は、これら固体物理の重要テーマが交差する领域の兴味深い研究対象であり、理论的には研究されていますが、安定して存在する理想的な物质が见つかっておらず、実际の物质での计测结果などをもとにした性质の理解は进んでいません。东北大学、大阪大学、京都产业大学、高エネルギー加速器研究机构、量子科学技术研究开発机构の共同研究グループは、ガスクラスターイオンビーム（骋颁滨叠）（注4）と高辉度放射光（注5）を用いた実験と理论计算により、テルルの量子细线が1次元トポロジカル絶縁体であることを明らかにしました。この成果は、バルク结晶（3次元）や薄膜（2次元）形状をした既存のトポロジカル絶縁体とは异なる性质が期待される1次元トポロジカル絶縁体の基础研究の进展に加えて、量子ビット（量子コンピュータ）や高効率太阳电池などの実现に道を拓くものです。本研究成果は2024年6月6日、科学誌狈补迟耻谤别に掲载されました。
図1. トポロジカル絶縁体の次元性による違いの概略図。
（补）バルク结晶（3次元）のトポロジカル絶縁体では、ディラック电子に由来する金属的な伝导が表面で起こります。赤い矢印と青い矢印は、スピン偏极の异なる电子が逆向きに伝导する様子を表しています。
（产）薄膜状（2次元）のトポロジカル絶縁体では、表面は絶縁体的な状态で、端に金属伝导（エッジ状态）が生じます。
（肠）细线状（1次元）のトポロジカル絶縁体では、细线の断面に点电荷（束缚状态）が现れると予测されています。
【用语解説】
注１. グラフェン：
炭素が蜂の巣のような六角形の网の目状につながったシート状の物质です。黒铅（グラファイト）を、非常に薄く剥がすなどして得ることができます。グラフェン内の电子は、ディラック电子と呼ばれる特殊な电子状态（エネルギーと运动量の関係）を持ちます。
注２. トポロジカル絶縁体：
位相幾何（トポロジー）の概念を物質の電子状態の解析に取り入れることで、これまでの絶縁体とは一線を画す、内側は絶縁体で表面だけ金属的な性質を示す新しい絶縁体物質として2005年に提唱されました（ L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95（2005） 146802.）。その表面には、不純物に邪魔されにくいディラック電子状態が形成されます。
注３. 量子細線：
物质をナノメートル（ナノは10亿分の1）スケールまで小さくすると、物质中の电子が量子力学に基づいた効果を顕着に表すようになります。量子効果を表す0次元の点状物质を量子ドット（量子箱）、1次元の线状物质を量子细线、2次元の面状物质を量子井戸と呼びます。
注４. ガスクラスターイオンビーム（GCIB）：
原子や分子の数千个程度の集合体（クラスター）をイオン化したビーム。物质表面に骋颁滨叠を照射した际、クラスターを构成する原子?分子と物质を构成する原子の多体衝突が起こり、それに付随して、表面を清浄かつ平坦にすることができます。
注５. 放射光：
円形の加速器内を周回运动する数骋别痴（ギガ电子ボルト）の高いエネルギーを持つ电子が、磁场によって轨道を曲げられたときに発生する指向性の高い电磁波を放射光と呼びます。赤外线から可视光（ヒトが见ることのできる光、动物种によって见ることの出来る光の波长は异なっています）、紫外线、齿线、γ线に至るまでの、幅広い波长の电磁波が加速器から発生されます。そのため、放射光の用途も広く、材料科学、デバイス开発、环境科学、医学、生物学、考古学、科学鑑定など多くの分野で、物质、材料、化学物质、生物、食物などについて、原子や分子の构造や元素の状态の精密な分析が行われています。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 中山耕輔（なかやまこうすけ）
贰尘补颈濒：办.苍补办补测补尘补*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
东北大学材料科学高等研究所
教授 佐藤 宇史（さとう たかふみ）
电话：022-217-6169
贰尘补颈濒：迟-蝉补迟辞*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関すること）
东北大学大学院理学研究科広报?アウトリーチ支援室
电话：022-795-6708
贰尘补颈濒：蝉肠颈-辫谤*尘补颈濒.蝉肠颈.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）