2023 年 3 ⽉ 1 ⽇

トポロジカル量⼦物質の新奇スイッチング/メモリー効果を室温で実現
概要
京都⼤学⼤学院⼯学研究科電⼦⼯学専攻の⻄嶋泰樹 博⼠課程学⽣（⽇本学術振興会特別研究員 DC1）
、安藤裕⼀郎 准教授、⽩⽯誠司 教授らのグループは筑波⼤学数理物質系の⿊⽥眞司 教授グループと共同で、21 世紀の新しい物質「トポロジカル量⼦物質」の⼀種である「トポロジカル結晶絶縁体」※1 を⽤いて、そのトポロジカル性に由来する新奇なスイッチング効果を室温で実現することに成功しました。
「トポロジカル量⼦物質」とは、その電⼦状態がトポロジカルに「捻れた」物質であり、20 世紀までに発⾒されてきた半導体・⾦属・磁性体などとは根本的に異なる性質を持つ物質です。2016 年のノーベル物理学賞がこの研究分野の草分けとも⾔うべき研究に与えられたことは、トポロジカル量⼦物質の極めて⾼い重要性を⽰すものです。今回の研究では、このトポロジカル量⼦物質の⼀種であり「トポロジカル結晶絶縁体」と呼ばれる材料である Pb0.48Sn0.52Te（鉛スズテルル）を⽤いて、鉛スズテルルのトポロジカル性の現れである「ベリー曲率ダイポール」※2 と強誘電性※3 の協奏に由来するスイッチング効果とメモリー効果を室温に⾄るまでの温度領域で発⾒/実現しました。この成果はトポロジカル量⼦物質の電⼦素⼦への展開に新たな可能性を付与するとともに、同物質の応⽤への扉を開くものです。
本成果は 2023 年 3 ⽉ 2 ⽇ 11:00（⽇本時間）に⽶国学術誌である「Nano Letters」誌にオンライン掲載されます。

(a) トポロジカル結晶絶縁体である鉛スズテルルの結晶構造。塩（NaCl）と同じ岩塩結晶と呼ばれる結晶構造を持っており、図にあるように鉛ないしスズ原⼦とテルル原⼦が⼊れ違いに⽴⽅体を形成している。(b) (a)図の結晶を 45°回して上から眺めた断⾯図。x 軸は[11-0]⽅向、y 軸は[110]⽅向、z 軸はその双⽅に垂直な（紙⾯に垂直な）⽅向と定義している。Mxz と Myz はそれぞれ xz ⾯、yz ⾯を表し、鉛スズテルルはこの⾯に対して「対称な」（ひっくり返しても同じ）構造を持つ。(c)x 軸⽅向（図の右⽅向）に電圧をかけて原⼦をずらした状態では Myz ⾯が対称⾯とならず、そのため「ベリー曲率ダイポール」(BCD)が⽣成される。鉛スズテルルは強誘電性を持つため原⼦のズレは保持され、そのため BCD もメモリー効果として保持される。

Figure 1 Crystal structure, ferroelectric distortion and sample structure of Pb1-xSnxTe (PST). (a)The rock-salt crystal structure of PST. Sn, Pb cations and Te anions are coloured green and yellow,

１．背景2016 年にノーベル物理学賞がトポロジカル量⼦物質研究の嚆⽮となる研究※4 に与えられたことからもわかるように、21 世紀の物質科学におけるトポロジーの役割には巨⼤なものがあります。ここで⾔うトポロジーとは、例えば数学においては「ドーナツには⽳が 1 つあるが、野球のボールには⽳がなく、この１や０という⽳の数＝不連続な指標は変形によって変化しない」という図形の持つ「不変な」指標に着⽬することです。物
質科学におけるトポロジー的な性質もまた、物質の状態が連続的に変化しても、その変化に影響されない「不変な」指標を与えてくれます。この観点から、近年「トポロジカル絶縁体」「トポロジカル超伝導体」などが、世界的に熾烈な研究競争の対象になっています。今回我々が研究対象とした「トポロジカル結晶絶縁体」はトポロジカル絶縁体の⼀種であるためトポロジー的な性質を持つ材料であり、やはり⼤きな注⽬を集める材料です。こうしたトポロジカルに特徴的な物質では、その物質の電⼦状態の捻れに由来する仮想的な磁場が物質内部に発⽣することが知られており、その仮想的な磁場を活⽤した新奇なスイッチング効果やメモリー効果が期待されています。
２．研究⼿法・成果
そこで私達の研究グループでは、トポロジカル結晶絶縁体である Pb0.48Sn0.52Te（鉛スズテルル）に着⽬しました。この材料は、そのトポロジカル性が結晶構造で保証されているこの特徴を持つトポロジカル絶縁体の⼀種であり、さらに強誘電性も兼ね備えている点に特徴があります。鉛スズテルルに電圧をかけると強誘電性のおかげで原⼦の位置にズレが⽣じ、しかもそのズレは電圧を切ったあとも保持されます。更にこの原⼦位置のズレは、鉛スズテルルの持つトポロジカル性の起源であるベリー曲率の値を場所によって変えることになります。このときベリー曲率同⼠に仮想的な分極（ダイポール）が⽣じるため、これをベリー曲率ダイポール（BCD）と⾔います。この BCD の存在は、BCD が仮想的な磁場を⽣むことになるため、その物質の電気伝導特性を調べることで確認することができます。
従来から、BCD がスイッチングできる（向きを変えられる）ことは知られていましたが、その機能の発現と制御は低温（約 140 ケルビン=摂⽒マイナス 133℃）に限られていました。更にこの BCD を保持しておく機能があることは知られていませんでした。今回の成果のポイントは、ゼロでない BCD を持ち、さらに強誘電性を持つ鉛スズテルルを⽤いることで BCD のメモリー効果の存在をはじめて確認し、更に従来は不可能だった室温という応⽤展開に極めて重要な温度領域で BCD のスイッチング効果とメモリー効果を確認できた点にあります。
３．波及効果・今後の予定
今後求められる研究としては、メモリー効果の書き込み速度を上げることやその保持時間の確認、また繰り返し耐性を確認することが挙げられます。また、さらに BCD そのものを⼤きくできる材料の⼯夫も必要です。これらを通じてトポロジカル量⼦物質を⽤いた新しい電⼦素⼦の創出に向けた道程を開拓できることが期待されます。
４．研究プロジェクトについて本研究を遂⾏するにあたり、科学研究費補助⾦・挑戦的研究（開拓）「クーパー対純スピン流計測の挑戦」、JST さきがけ「情報担体」などの⽀援を受けました。ここに謝意を表します。

＜⽤語解説＞※１トポロジカル結晶絶縁体：トポロジカル絶縁体の⼀種であるトポロジカル量⼦物質です。⼀般に「トポロジカル絶縁体」と呼ばれる物質は、その物質の中で時間反転対称（時間の流れを逆にしても同じ現象になること）性があり、それがトポロジカル性を守る役割をしています。ただトポロジカル性を守る役割は時間反転対称性でなくてもよく、結晶構造の対称性でも構いません。トポロジカル結晶絶縁体は、トポロジカル絶縁体性が結晶構造の対称性で守られた材料のことを意味しています。
※２ベリー曲率ダイポール：物質のもつトポロジカル性は、物質のベリー曲率（波動関数の捻じれ具合）がゼロでないことに起因します。物質によってベリー曲率は複数の場所で現れる場合がありますが、今回の鉛スズテルルではベリー曲率の⼤きさが原⼦位置のズレのせいで場所によって変化し、それによって異なる位置にあるベリー曲率の間に仮想的な「分極」（※３も参照）が現れます。この分極をベリー曲率ダイポールと呼びます。
※３強誘電性：物質に電場をかけるとその電場に引きづられる形で原⼦はわずかにその位置を変えズレます。
通常は電場が消えると原⼦は元の位置に戻りますが、中には電場がなくなっても原⼦はズレたままの位置にとどまっている物質もあります。このとき、原⼦位置のズレによって物質中には電場が新しく⽣じることになり、これを分極と呼びます。強誘電性というのは、この分極状態が保持されたままの状態をもつ性質です。
※４トポロジカル量⼦物質研究の嚆⽮となる研究：D.J. Thouless（ワシントン⼤学）、F. D. M. Haldane（プリンストン⼤学）、J. M. Kosterlitz （ブラウン⼤学）の３教授に「トポロジカル相転移および物質のトポロジカル相の理論的発⾒」の業績による 2016 年のノーベル物理学賞が贈られました。
研究者のコメント（⽩⽯）トポロジカル物質は⼤学院時代に学んだ素粒⼦論などの基礎物理が物質上で顕在化する物質であり個⼈的な思い⼊れも深い材料ですので、今回の成果は私にとって⼤きな喜びです。紆余曲折を経て今回の成果に⾄りましたが、そのプロセスでの筆頭著者の⻄嶋さんの寄与は⾮常に⼤きく、成⻑した学⽣の姿を⾒る
喜びもまた⼤きかったことを付記したく思います。今後も楽しんで研究を推進していこうと思っています。
（⻄嶋）研究室配属時から扱ってきたトポロジカル結晶絶縁体という材料でこのような発⾒ができたことをとても嬉しく思います。今回の発⾒はトポロジカル性と強誘電性という 2 つの特性の共存による副産物です。今後もこのような物理的特性の融合により⽣まれる新しい現象を探索していきたいです。
論⽂タイトルと著者“A Ferroic Berry Curvature Dipole in a Topological Crystalline Insulator at Room Temperature”(トポロジカル結晶絶縁体における室温での強誘電的ベリー曲率ダイポール)
T. Nishijima1, T. Watanabe2, H. Sekiguchi2, Y. Ando1,3, E. Shigematsu1,
R. Ohshima1, S. Kuroda1, and M. Shiraishi1
1. 京都⼤学⼤学院⼯学研究科, 2. 筑波⼤学⼤学院数理物質科学研究科, 3. JST さきがけ
掲載誌：Nano Letters
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04900

＜研究に関するお問い合わせ先＞
⽩⽯ 誠司（しらいし まさし）
京都⼤学⼤学院⼯学研究科電⼦⼯学専攻・教授
TEL：075-383-2272 FAX：同左
E-mail：shiraishi.masashi.4w@kyoto-u.ac.jp＜報道に関するお問い合わせ＞京都⼤学 総務部広報課国際広報室
TEL：075-753-5729 FAX：075-753-2094
E-mail: comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
筑波⼤学 広報局
TEL：029-853-2040 FAX：029-853-2014
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp