理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの茂木将孝研修生（東京大学大学院工学系研究科大学院生）、十倉好紀グループディレクター（同教授）、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（同教授）、強相関量子伝導研究チームの川村稔専任研究員、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授と産業技術総合研究所の白川直樹研究チーム長らの共同研究グループは、磁性層と非磁性層を交互に積み重ねた「トポロジカル絶縁体」積層薄膜を作製することで、特殊な「電気磁気効果」の発現が期待される新しい量子状態を実現しました。
　電気磁気効果は電場印加によって磁化（磁石としての性質）が発生したり、逆に磁場印加によって電気分極が起きたりする現象のことで、将来の省電力メモリー素子への応用が期待されています。トポロジカル絶縁体は、物質内は電気を通さないが表面は電気を通す物質であり、トポロジー（位相幾何学）に由来する特殊な電気磁気効果が発現すると理論的に予測されています。しかし、トポロジカル絶縁体では通常、金属的な表面状態があるため電気磁気効果が生じません。そのため、電気磁気効果の観測にはトポロジカル絶縁体の表面を絶縁化する必要があります。理論的には、二つの磁性層の磁化を、表面に対して垂直にそれぞれ逆向き（反平行）に向かせると絶縁体になると予測されていますが、従来の技術では磁化の向きを制御するのは困難でした。
　今回、共同研究グループは独自に開発した「磁気変調ドーピング」という手法で、トポロジカル絶縁体「(Bi_1-ySb_y)₂Te₃（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、Te：テルル）」と、それに磁性元素Cr（クロム）を添加した磁性トポロジカル絶縁体「Cr_x(Bi_1-ySb_y)_2-xTe₃」を用いて、磁性/非磁性/磁性の三層に積層した薄膜を作製しました。この薄膜を調べたところ、二つの磁性層の磁化が反平行になる状態ができ、表面が絶縁化していました。この結果は、理論的に予測されている特殊な電気磁気効果発現の条件であり、電気磁気効果観測のための物質基盤を確立したことになります。
　今後、作製した積層構造の薄膜を用いて特殊な電気磁気効果を直接観測できると考えられます。また、今回の積層技術の開発によって可能になった新しい量子状態はトポロジカル絶縁体の理解をより深め、さらにスピントロニクスや量子コンピューティングへの応用に役立つと期待できます。
　本成果は、英国の科学雑誌『Nature Materials』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（2月13日付け：日本時間2月14日）に掲載されました。

トポロジカル絶縁体積層薄膜における量子異常ホール効果と電気磁気効果の概念図

詳細（プレスリリース本文）

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