【量子論】原子層鉄系高温超伝導体で質量ゼロのディラック電子を発見　東北大学

2018年01月28日

カテゴリ:
科学
物理

1: 2018/01/12(金) 16:15:41.25 ID:CAP_USER BE:822935798-PLT(12345)

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東北大学の研究成果プレスリリース情報『原子層鉄系高温超伝導体で質量ゼロのディラック電子を発見』（共同通信PRワイヤー）

　2018年1月12日 09時00分(最終更新 1月12日 09時00分)

【概要】
東北大学大学院理学研究科の中山耕輔助教、佐藤宇史教授、同大学材料科学高等研究所の高橋隆教授らの研究グループは、原子層鉄系高温超伝導体において、質量ゼロの性質を持つ「ディラック電子（注１）」を発見しました。
この成果は、超高速・超伝導ナノデバイスの実現に道を拓くだけでなく、高温超伝導の発現機構の解明に向けても重要な一歩となります。
本成果は、米国物理学会誌フィジカル・レビュー・Bの注目論文に選ばれ、平成29年12月29日（米国東部時間）にオンライン速報版に掲載されました。

【研究の内容】
今回、東北大学の研究グループは、分子線エピタキシー法（注４）を用いて、酸化物の基板上に原子レベルで制御された高品質な1層のFeSe薄膜を作製しました。

続きはソースで

https://mainichi.jp/articles/20180112/pls/00m/020/501000c

Two-dimensional Dirac semimetal phase in undoped one-monolayer FeSe film
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.220509

引用元: ・【量子論】原子層鉄系高温超伝導体で質量ゼロのディラック電子を発見　東北大学

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ディラック電子系に潜む普遍性を実証　世界最大規模のシミュレーションで金属-絶縁体転移の臨界指数を決定

2016年03月28日

カテゴリ:
通信・IT

1: 2016/03/21(月) 12:05:00.66 ID:CAP_USER.net

ディラック電子系に潜む普遍性を実証 | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160319_1/
ディラック電子系に潜む普遍性を実証 | 60秒でわかるプレスリリース | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160319_1/digest/

ディラック粒子とは、もともと真空中を光速に近い速度で運動する電子やニュートリノといった、私たちの日常生活のエネルギースケールとはかけ離れた粒子のことです。
しかし最近、それと同じ運動方程式（ディラック方程式）に従って運動する電子が物質中にも見つかり、注目を集めています。その代表的な例が、グラフェンの中に現れるディラック電子です。

グラフェンは鉛筆の芯の材料などで知られるグラファイト（黒鉛）を単層に剥離したもので、その中の電子の運動速度は光速の約１/300ほどですが、骨格となる炭素ネットワークのハニカム（蜂の巣）構造により、質量がゼロのディラック電子として振る舞います。
ディラック電子にも普通の電子と同じ電荷やスピン（電子の自転）の自由度がありますので、物質中で多数のディラック電子が集まって示す電気的・磁気的な性質が、通常の電子とどのように違うかが、物性科学的に興味を持たれています。

とくに、ディラック電子の集団が示す物性が「金属であるか、絶縁体であるか」が注目されています。
ディラック電子の集団は、電子が自由に動き回る場合は「半金属」ですが、電荷間に働くクーロン力が強くなると、質量がゼロであったディラック電子が質量を持つようになり、「絶縁体」に相が転移します。
またそれに伴い、隣り合う電子の間のスピンが逆向きに整列した「反強磁性体」状態になることはよく知られていました。
しかし、これまで、電子間相互作用で引き起こされる「金属―絶縁体」の相転移の普遍的な性質については分かっていませんでした。

続きはソースで

引用元: ・【物性物理学】ディラック電子系に潜む普遍性を実証　世界最大規模のシミュレーションで金属-絶縁体転移の臨界指数を決定

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質量のないディラック電子の磁気モーメント(g因子)を精密測定　トポロジカル絶縁体の隠れた個性を発見

2016年03月01日

カテゴリ:
物理

1: 2016/02/25(木) 17:59:17.85 ID:CAP_USER.net

質量のないディラック電子の磁気モーメントを精密測定 | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160224_1/

要旨

理化学研究所創発物性科学研究センター創発物性計測研究チームの付英双（フ・インシュアン）国際特別研究員（研究当時）（中国・華中科技大学教授）、花栗哲郎チームリーダー、強相関量子伝導研究チームの川村稔専任研究員、創発計算物理研究ユニットのモハマド・サイード・バハラミーユニットリーダー、東京工業大学応用セラミックス研究所の笹川崇男准教授らの共同研究グループ※は、「トポロジカル絶縁体[1]」表面に形成される質量ゼロの「ディラック電子[2]」が持つ磁気モーメント（磁力の大きさと向きを表すベクトル量）を精密に測定する新しい手法を開発しました。

トポロジカル絶縁体は、固体内部の電子は動くことができませんが、その表面には自由に動く電子が自然に現れる物質です。また、この表面の電子には質量がありません。
このような質量ゼロの電子はディラック電子と呼ばれ、通常の電子とは異なる性質を示します。
特にトポロジカル絶縁体表面のディラック電子は、電気伝導と磁性の間の強いつながりが特徴で、スピントロニクス[3]などへの応用が期待されています。
表面のディラック電子を制御するためには、磁性を特徴づける基本的な量である電子の磁気モーメントの情報が必要です。
しかし、表面ディラック電子の磁気モーメントを測定できる手法はこれまで存在しませんでした。

今回、共同研究グループは、「走査型トンネル顕微鏡法／分光法（STM/STS）[4]」を用いた磁気モーメントの新しい評価法を開発し、2種類のトポロジカル絶縁体に適用しました。
その結果、2つの物質でディラック電子の運動速度がほとんど同じであるのに対し、磁気モーメントは大きさも方向も全く異なることが分かりました。

これは、トポロジカル絶縁体の隠れた個性を明らかにしたもので、磁気モーメントを通したディラック電子の新しい制御法の開発へつながる成果です。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Communications』（2月24日付：日本時間2月24日）に掲載されます。

続きはソースで

引用元: ・【物性物理学】質量のないディラック電子の磁気モーメント(g因子)を精密測定　トポロジカル絶縁体の隠れた個性を発見

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質量ゼロのディラック電子の流れを制御できる新しい磁石を発見　超高速スピントロニクス応用への新機軸

2016年02月05日

カテゴリ:
科学
資源・材料

1: 2016/02/01(月) 18:03:23.85 ID:CAP_USER.net

【プレスリリース】質量ゼロのディラック電子の流れを制御できる新しい磁石を発見－超高速スピントロニクス応用への新機軸－ - 日本の研究.com
https://research-er.jp/articles/view/42941

発表のポイント：

•質量のないディラック電子（注 1）を有した、電気伝導性を磁場で大幅に制御できる新しい磁石（磁性体）を発見しました。
•磁石の性質を変化させ、ディラック電子層間の電気抵抗（二次元的な閉じ込め度合い）を 10倍以上増強させることにより、三次元のバルク固体（多積層物質）中にもかかわらず、二次元的電子状態に起因する半整数量子ホール効果（注 2）を実証しました。（図 1）
•本研究結果は、ディラック電子の磁気的制御法を確立するための重要な指針を与えるものであり、今後は従来にない超高速スピントロニクス素子を使用した超高速かつ省エネ動作が可能な磁気デバイス（ハードディスクのヘッドや磁気抵抗メモリ MRAM など）等への応用が期待されます。

発表概要：

　固体中の電子の運動が質量のない粒子として記述できるディラック電子系物質は、黒鉛の単原子層（グラフェン）を筆頭に、極めて高い移動度を持つため、次世代エレクトロニクスへの応用が期待されています。

　今回、大阪大学大学院理学研究科酒井英明准教授（研究開始時：東京大学大学院工学系研究科助教）、
東京大学大学院工学系研究科石渡晋太郎准教授（JST さきがけ研究者兼任）、同研究科増田英俊大学院生らの研究グループは、ディラック電子を有するビスマス（原子番号 83 の元素）の二次元層とユーロピウム（原子番号 63 の元素）等からなる磁性ブロック層が積層した磁性体の合成（図 1）に成功し、東京大学物性研究所徳永将史准教授、東京大学大学院工学系研究科山崎裕一特任講師（理化学研究所創発物性科学研究センターユニットリーダ兼任）、東北大学金属材料研究所塚﨑敦教授らと共同で、ディラック電子の超高速伝導が磁気状態に依存して劇的に変化することを発見しました。
さらにこの効果を利用して、ディラック電子を電気伝導層であるビスマス層（二次元層）内に強く閉じ込めることにより、ディラック電子層が積層したバルクの磁性体において初めて、ホール抵抗値が離散的となる半整数量子ホール効果を実現しました。

　本研究成果は、ディラック電子の強相関量子伝導現象という新規学術分野の開拓だけでなく、
超高速で省エネルギーなエレクトロニクスへの基礎となる超高速スピントロニクス実現に向けた新機軸になると期待されます。

　本研究成果は、Science Advances 誌（日本時間 1 月 30 日午前 4 時）に掲載されます。

続きはソースで

引用元: ・【材料科学/量子力学】質量ゼロのディラック電子の流れを制御できる新しい磁石を発見　超高速スピントロニクス応用への新機軸

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トポロジカル絶縁体のディラック状態を固体と固体の界面でも検出、理研など

2014年02月26日

カテゴリ:
物理

1: 伊勢うどんφ ★ 2014/02/25(火) 18:41:25.97 ID:???

理化学研究所(理研)と東京大学は2月20日、新物質のトポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3薄膜とインジウムリン(InP)半導体を接合した素子を用い、トポロジカル絶縁体に特徴的なディラック状態を固体と固体の界面で検出したと発表した。

同成果は、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の吉見龍太郎博士課程大学院生(強相関物性研究グループ研修生)、菊竹航氏(強相関理論研究グループ研修生)と、東京大学大学院工学系研究科の塚﨑敦特任講師(現東北大学金属材料研究所教授および理研客員研究員)、ジョセフチェケルスキー特任講師(現マサチューセッツ工科大学准教授および理研客員研究員)、理研創発物性科学研究センター強相関界面研究グループの高橋圭上級研究員、川﨑雅司グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)らによるもの。

詳細は、英国の科学雑誌「Nature Materials」に掲載される予定。

近年見いだされたトポロジカル絶縁体は、内部が絶縁状態で、表面が特殊な金属状態を示す新しい物質である。
特に、表面の金属状態はディラック電子が存在するディラック状態で、光学特性や熱特性、力学特性などに優れたナノ炭素材料のグラフェンにも見られるものである。
ディラック電子は、固体中で質量がなく、不純物の影響も小さいため、従来の半導体よりも高速で固体内を動くことができる。

この特性から、トポロジカル絶縁体は低消費電力素子としての応用が期待され、活発に研究が行われている。
しかし、これまでトポロジカル絶縁体のディラック状態は、真空と固体との境界である表面で実験的に検出されたことはあったが、実際に固体素子へ適用する上で、
必要となる固体と固体との界面では、ディラック状態の検出やその性質についての報告はなかった。

研究グループは、トポロジカル絶縁体の1つである(Bi1-xSbx)2Te3薄膜を既存の半導体材料のインジウムリン(InP)基板上に単結晶成長させ、両者を接合した素子を作製した。
そして、同素子に対して、物質界面の電気的特性を評価し、界面電子の状態を調べることが可能なトンネル伝導測定を行った。

まず、トンネル電流の大きさを磁場と電圧に対して調べた。
その結果、磁場を加えるに伴い、トンネル伝導度の変化量が電圧に対して振動する様子が観測された。
この振動はランダウ量子化と呼ばれる現象によるもので、電子の性質を調べる重要な手掛かりとなる。
さらに、この振動のピーク電圧の磁場変化を調べたところ、磁場の平方根に比例してピーク電圧が変化することが分かった。
この振る舞いはディラック電子に特徴的な振る舞いであり、検出された界面の電子状態がディラック状態であることを示している。

>>2に続く

マイナビニュース 2014/02/21 18:39
http://news.mynavi.jp/news/2014/02/21/477/

プレスリリース
http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140220_2/digest/
http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140220_2/

Nature Materials
Dirac electron states formed at the heterointerface between a topological insulator and a conventional semiconductor
http://www.nature.com/nmat/journal/v13/n3/abs/nmat3885.html