原子層半導体へのレーザー光照射で二次元トポロジカル物質への相転移を実現 -- 次世代電子スピン素子回路創製の道を開拓 --

青山学院大学理工学部・電気電子工学科（大学院・機能物質創成コース）・春山純志研究室が、原子層半導体へのレーザー光照射による二次元トポロジカル物質の創製に世界で初めて成功しました。




　トポロジカル物質は従来物質（金属や半導体など）の枠に入らない新奇物質として2016年にノーベル物理学賞を受賞しており、その3次元構造での研究は活発です。物質内部はスピン軌道相互作用によりエネルギーギャップが開き絶縁体になっていますが、表面ではこのギャップが閉じ金属的伝導が発生します。しかもこの表面を流れる伝導電子スピンはトポロジカルに保護され、物質固有の散乱要因（欠陥や不純物）の影響を受けず一定の抵抗値（量子抵抗25.8KΩ）を持つため、量子コンピュータなど次世代デバイス創製のキーファクターとして注目を集めています。
　一方で低次元トポロジカル物質の研究例はそれほど多くなく、半導体量子井戸が中心でした。二次元トポロジカル物質では、試料中央部は絶縁体ですが試料端（エッジ）は金属伝導を持ち、保護された反平行の自転モーメントを持つ2つの電子スピンが、この一次元エッジ経路に沿って反対向きに走行します。ここ数年原子層半導体物質が二次元トポロジカル絶縁体になる可能性が報告され、話題を集めていました。しかしながらその作製法は極めて複雑で制御性の悪いものでした。今回春山研究室は、原子数層からなる半導体・二硫化モリブデンにレーザー光を照射するだけで、照射部がこの二次元トポロジカル相へ転移することを発見しました。
　今回の発見は、レーザー光照射で発生する熱が層面内を素早く一様に伝搬することで半導体相がトポロジカル相に転移することを発見したもので、半導体との界面の照射部エッジに沿って流れる電子スピンが量子抵抗値を創出することを世界で初めて検出し、さらにその磁場・温度依存性、走査型トンネル分光、理論計算などから、これを裏付けました。
　これにより原子層半導体物質上へレーザー光照射で自在にトポロジカル相をパターニングすることが可能になり、エッジスピン流を活用した次世代電子スピン素子・回路の創製が大いに期待されます。
　本研究は、東京大学・物性研究所・勝本信吾研究室、同・機械工学専攻・丸山茂夫研究室、テキサス大学、マドリード自治大学、ピサ大学、との共同研究で、2019年10月2日付けで、アメリカ物理学会誌・Physical Review Letters（DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.146803）に掲載されました。



＜発表のポイント＞
○原子数層の薄さの半導体をセロテープによる機械剥離で作成し、それにレーザー光照射するだけで照射部が二次元トポロジカル転移になることを発見。
○半導体との界面の照射部エッジに沿って流れる電子スピンが、一定の電気抵抗値（量子抵抗値）を創出することを世界で初めて検出。
○磁場・温度依存性、走査型トンネル分光、理論計算などから、この結果を証明。
○原子層半導体上へレーザー光照射のみで自在にトポロジカル相をパターニングすることを可能にし、次世代電子スピン素子・回路の創製に期待。


▼研究に関する問い合わせ先
　青山学院大学理工学部　春山純志研究室
　e-mail: J-haru@ee.aoyama.ac.jp

　URL: (リンク »)

▼取材に関する問い合わせ先
　青山学院大学　政策・企画部　大学広報課
　TEL: 03-3409-8159
　URL: (リンク »)

【リリース発信元】 大学プレスセンター (リンク »)