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―

発表のポイント

• 黒鉛を薄くしてグラフェンにすると性質が変化するように、トポロジカル絶縁体も薄くすると性質が劇的に変わることが予想されています。
• テルル（Te）からなる原子レベルで細い線（量子細線）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報の最小単位である量子ビットや高効率太陽電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、半導体に次ぐ固体の新しい状態であるトポロジカル絶縁体は、次世代の超低消費電力デバイスへの応用が期待されており、その基礎となる理論研究に2016年のノーベル物理学賞が授与されるなど、大きな注目を集めています。また、グラフェンの発見（2010年ノーベル物理学賞）を契機に、新しい機能性材料として、原子1個から数個分の厚さの薄膜や量子細線の研究が世界中で進められています。究極的に小さな量子細線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領域の興味深い研究対象であり、理論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質が見つかっておらず、実際の物質での計測結果などをもとにした性質の理解は進んでいません。東北大学、大阪大学、京都産業大学、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構の共同研究グループは、ガスクラスターイオンビーム（GCIB）と高輝度放射光を用いた実験と理論計算により、テルルの量子細線が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、バルク結晶（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異なる性質が期待される1次元トポロジカル絶縁体の基礎研究の進展に加えて、量子ビット（量子コンピュータ）や高効率太陽電池などの実現に道を拓くものです。

本研究成果は2024年6月6日、科学誌Natureに掲載されました。

図1. トポロジカル絶縁体の次元性による違いの概略図。

論文情報
雑誌名：「Nature」
論文タイトル：Observation of edge states derived from topological helix chains
著者： Kosuke Nakayama, Atsuya Tokuyama, Kunihiko Yamauchi, Ayumi Moriya, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato
DOI番号：10.1038/s41586-024-07484-z

リンク
プレスリリース (東北大学Webサイト)