ビスマスがトポロジカル物质であることを解明 电子波干渉効果を用いた超精密电子状态マッピング
光电子分光で観测された电子の波の干渉模様
光电子分光で観测されたビスマスの电子状态を、电子の波のエネルギーと波数（波长の逆数）の関係で示している。信号强度の强い领域が黒で示されている。膜の厚みを原子层単位で连続的に変化させることで、电子の波の干渉模様が変化する様子が観测されている。
© 2017 松田巌
东京大学物性研究所の松田巌准教授らの研究グループは、お茶の水女子大学、広岛大学、および台湾のグループと共同で、物质中の电子の状态を直接観测できる手法（光电子分光）と、电子の波の干渉波形を描き出す独自の手法を组み合わせて、半金属ビスマスの结晶がトポロジカル物质であることを解明しました。ビスマスの性质が明らかになったことにより、次世代の情报技术への応用が加速すると期待されます。
金属にも非金属にも似た性质を示す半金属の代表的な物质としてビスマスが知られています。ビスマスは、质量がほぼゼロのディラック电子を持つなど、兴味深い性质を示す物质です。さらに近年は、トポロジカル物质と呼ばれる新しい物质群を构成する中心的な元素としても注目を集めています。
物质中の电子は固有の波长とエネルギーを持った「电子波」として振る舞い、このエネルギーと波长の関係（バンド构造）が物质の性质を特徴づけます。トポロジカル物质はバンド构造の几何学的な性质（トポロジー）が通常の物质に対して反転した物质です。この结果、表面のみで电気が流れるなどの特徴的な性质を示し、次世代の情报技术への応用が期待されています。トポロジカル物质は一般に光电子分光法により电子构造（バンド构造）を観测することで确认できますが、従来の测定限界ではディラック电子のような复雑なものを精密に决定することが难しかったため、ビスマスそれ自体がトポロジカル物质であるかどうかは长らく议论がありました。
今回、共同研究グループは、本来3次元的な物质であるビスマスの结晶を极めて薄い2次元的な膜に加工して、膜の厚みを连続的に変化させながら光电子分光测定を行うことで、测定限界の问题を解决し、これまでの议论に决着をつけました。原子の大きさにまで薄くした膜の中では、闭じ込められた电子の波が作る干渉波形が直接见えるようになります。光电子分光における测定限界の问题は3次元的な性质に対して强く影响しますが、2次元的な膜の中の电子波は遥かに精密に测定できる事情があります。共同研究グループはさらに、この2次元的な干渉波形が3次元の情报を保持していることに着目し、膜の厚みを変えながら干渉の様子を调べていくことで、非常に高い精度でビスマスの3次元的なバンド构造を抽出することに成功しました。
「ビスマスのトポロジーの问题は长らく解决が困难だとされてきましたが、私达が培ってきた电子波干渉効果の手法が惊くほど効果的に働き、ついにトポロジカル物质であることを解明できました。今回の成果は、研究室の学生の努力の结晶です」と松田准教授は话します。「今回用いた手法は他の様々な物质に応用できます。现在でも次々と新しい机能を持ったトポロジカル物质が提案されていますが、これらの多くはビスマスと同じように复雑な电子构造を持っており、高い分解能での测定が欠かせません。私达が用いた手法は、超精密な测定手法の1つとして今后の物质研究で活用されていくでしょう」と期待を寄せます。
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论文情报
, "Proving Nontrivial Topology of Pure Bismuth by Quantum Confinement", Physical Review Letters Online Edition: 2016/12/02 (Japan time), doi:10.1103/PhysRevLett.117.236402.
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