福島工業高等専門学校 - 独立行政法人国立高等専門学校

世界最高品質の単元素トポロジカル物質を実現: 次世代ITの土台形成に新たな道

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 本校一般教科(物理)の千葉貴裕講師、小田洋平准教授は、東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構のLe Duc Anh助教、東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻の田中雅明教授、高瀬健吾氏、瀧口耕介氏との共同研究により、世界最高品質のアルファ-スズ(α-Sn)薄膜をIII-V族半導体インジウム-アンチモン (001)基板上に結晶成長させることに成功し、α-Sn薄膜の「トポロジカル物質」としての多彩な性質を世界で初めて明らかにしました。千葉教員と小田教員は本校で所有する高性能計算機システムを駆使してシミュレーション(第一原理バンド計算)を行い、東大グループの実験結果を理論的に考察するためのデータを提供しました。


 トポロジカル物質とは、トポロジーと呼ばれる数学(位相幾何学)の概念を物理学や化学に応用することで物性(電気・熱・光などの性質)が理解される物質であり、近年、世界中の科学者から大きな注目を集めています。2016年のノーベル物理学賞は、トポロジカル物質の解明への先駆けとなる発見をした3人の理論物理学者に授与されました。今回、研究を行ったα-Snにはシンプルかつ環境に優しいという長所があり、トポロジカル物質研究の今後の発展とSDGsの達成に貢献する次世代ITの土台となることが期待されています。

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a ダイヤモンドと同じ結晶構造をもつα-Snは、伸ばしたり、縮めたり、薄くしたりすることで内部の構造が変化し、様々なトポロジカル物質になることを実証した。

 

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図b 電子顕微鏡で観察したα-Sn結晶格子像。5 nm5 ナノメートル)は0.000000005メートルと等しく、ナノスケールで規則正しく並んでいることが確認できる。

 

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図c トポロジーとトポロジカル物質のイメージ。リンゴ、ドーナツやカップの例では穴の有無によって""の違いを分類できる。一方で物質は内部の""の違い(波動関数という電子の状態を表す式の偶奇性)によって普通の物質かトポロジカル物質かに分類される。

 

本研究成果は、20211014日にWiley-VCH社の国際学術誌「Advanced Materials」にてオンライン掲載されました。

タイトル:Elemental Topological Dirac Semimetal α-Sn with High Quantum Mobility
著者:Le Duc Anh, Kengo Takase, Takahiro Chiba, Yohei Kota, Kosuke Takiguchi, and Masaaki Tanaka
雑誌名:Advanced MaterialsWiley-VCH社)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104645

 

本研究成果の詳細について、次のURLにプレスリリースしましたので、ご覧ください。

国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)のプレスリリース:
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211015/index.html

東京大学大学院工学系研究科のプレスリリース:
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_202110181009543497315202.html

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