研究成果

物質のトポロジカルな性質を光で引き出す -光で電気伝導特性を制御し量子ホール状態を復元-


2017年04月12日


     有川敬 理学研究科助教、田中耕一郎 同教授、角屋豊 広島大学教授らの研究グループは、光吸収により量子ホール系物質の絶縁性が改善されることを発見し、光による量子ホール状態の制御を実現しました。量子ホール効果とは、電子を平面に閉じ込めた2次元電子系物質のホール伝導率(平面に垂直な磁場がかかった状態で、かけた電場に垂直な方向に流れる電流の大きさを表す物理量)が物理定数で決まる値の整数倍に量子化される現象のことで、良い絶縁体であればその物質の端のみに伝導状態が生まれることで、理想的な量子ホール状態を観察できます。量子ホール状態のような本来物質が備え持つトポロジカル(トポロジー:物の形状の特徴を数字で分類する学問)な性質は、多くの場合電子の不規則な動きによるノイズなどによって見えなくなってしまいます。この発見は、トポロジカルな性質を光によって引き出すことを可能にしたもので、物質のトポロジカルな性質の光制御への第一歩であると言えます。

     本研究成果は、2017年4月4日に英国Nature Publishing Groupの発行する「Nature Physics」オンライン版に掲載されました。

    研究者からのコメント

     熱雑音によって破壊されたトポロジカルな性質を、光によってあたかも治療するかのような効果を発見できたことは非常に驚きでした。光と物質の相互作用がもたらす効果には想像を超える多様な可能性があり、奥深さを感じます。様々な応用が期待されているトポロジカル物質ですが、この研究によりその可能性がさらに広がることを期待しています。

    概要

     量子ホール効果は物理学の歴史上非常に重要な現象です。その驚くべき特徴は、物質の種類によらずホール伝導率が非常に正確に普遍的な値をとることです。この普遍性は量子ホール効果発見当時の物理学では理解できず、後にトポロジーの概念の導入につながりました。

     トポロジーとは、物の形状の特徴を数字で分類する学問です。例えば、私たちはドーナツとマグカップを別物と考えますが、両者とも一つの穴を持つという意味でトポロジカルには同じ物に分類されます。この例における穴の数のように、形を連続的に変形しても変わらない整数値(トポロジカル不変量)で物を分類します。この考え方を物質の電子状態に適用することで、量子ホール系のホール伝導率がトポロジカル不変量で決まることが分かっています。従って、ドーナツとマグカップのように一見別の物質でも、トポロジカル不変量が同じであれば普遍的なホール伝導率を示すことが理解されています。

     ところが、この不思議なトポロジカルな性質は物質の絶縁性が低いと消失してしまいます。従って、いかに物質の絶縁性を高めるかが重要です。量子ホール系の場合はこれまで、より良質な結晶を作成し、極低温で高磁場をかけることで絶縁性を高めていました。これは電子の平衡状態に限れば絶縁性を高める唯一の方法ですが、光を照射し非平衡な電子状態を利用して絶縁性を高めるという手法は、これまで考案されてきませんでした。

     そこで本研究グループは、典型的な量子ホール効果を示すヒ化ガリウム(GaAs)の2次元電子系に対して光でエネルギーを与え(以下、光励起)、電気伝導特性がどのように変化するかを調べました。実験開始時点での試料の温度と用いた磁場の強さでは、平衡状態における絶縁性は低く、量子ホール効果が消失しかかっている状況を作ったうえで実験を行いました。特定の電子状態を作り出すため、光励起にはテラヘルツ波と呼ばれる1012Hz程度の振動数を持つパルス光を用いました。

     その結果、テラヘルツ波による励起が行われると、電気伝導率が一旦上昇した後減少し、物質の絶縁性が増していることがわかりました。また、絶縁性が増している時間領域でホール抵抗率(ホール伝導率の逆数)が普遍的な量子化値に近づいていることもわかりました。これは、絶縁性の改善によりトポロジカルな性質が回復していることを表しています。光照射後の非平衡状態でも絶縁性が良ければ物質のトポロジカルな性質が現れることを、初めて実験的に示しました。
     

    図:テラヘルツ波照射による電気伝導率の変化とホール抵抗率の変化。上のグラフの電気伝導率が減少している間、下のグラフのホール抵抗率が量子化値に戻る様子が観測されている。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 http://dx.doi.org/10.1038/nphys4078

    Arikawa, T., Hyodo, K., Kadoya, Y., and Tanaka, K. (2017). Light-induced electron localization in a quantum Hall system. Nature Physics.


    物質のトポロジカルな性質を光で引き出す -光で電気伝導特性を制御し量子ホール状態を復元-
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