茂木正孝（东京大学工学研究科研究生）、日本理化学研究所突发物质科学研究中心强相关材料研究组、户仓嘉德课题组主任（教授）、川崎雅志、相关界面研究组主任（教授）、强相关量子传导研究组高级研究员川村稔、材料研究所冢崎厚教授东北大学研究和米乐m6官方网站研究小组组长白川直树。联合研究小组※由磁性层和非磁性层交替堆叠而成。拓扑绝缘体」[1]通过制造层压薄膜，我们实现了一种新的量子态，有望表现出特殊的“电磁效应”。
电磁效应是由施加电场引起的磁化（磁特性）引起的，或者相反，是由施加磁场引起的电极化[2]发生，并有望应用于未来的节能存储设备。拓扑绝缘体是一种内部不导电但表面导电的材料。拓扑[3]衍生出一种特殊的电磁效应。会发生。然而，拓扑绝缘体通常具有金属表面态，因此不表现出电磁效应。因此，为了观察电磁效应，有必要对拓扑绝缘体的表面进行绝缘。理论上，预计如果两个磁性层的磁化方向垂直于表面的相反方向（反平行），就会形成绝缘体，但使用传统技术很难控制磁化方向。
此次联合课题组自主研发磁调制掺杂」[4]1-y锑y)2特3（Bi：铋，Sb：锑，Te：碲）”和添加磁性元素Cr（铬）的磁拓扑绝缘体“Crx（双1-y锑y)2-x特3”用于制造三层薄膜：磁性/非磁性/磁性。当我们检查这个薄膜时，我们发现两个磁性层的磁化强度变得反平行，并且表面变得绝缘。这一结果从理论上预测了特殊电磁效应发生的条件，为观测电磁效应奠定了物质基础。
未来，人们认为利用所制造的层状结构薄膜可以直接观察特殊的电磁效应。此外，这种堆叠技术的发展所带来的新量子态有望加深我们对拓扑绝缘体的理解，并有助于自旋电子学和量子计算的应用。
这一成果发表在英国科学杂志``自然材料发布之前，将以网络版发布（截至2月13日：日本时间2月14日）。
这项研究是题为“强相关量子科学”的前沿研究与发展支持计划（FIRST）项目和题为“利用拓扑绝缘体异质结为量子技术奠定基础”的战略创意研究促进项目（CREST）项目的一部分。
2016 年诺贝尔物理学奖授予 David J Souless 博士、Duncan Holden 教授（美国普林斯顿大学）和 John M Kosteritz 教授（美国布朗大学），以表彰他们“物质中的拓扑相变，拓扑相的理论发现”。这样，围绕材料固有的“拓扑学”（topology）的研究近年来在世界范围内迅速进展。 “拓扑绝缘体”就是典型的例子之一。虽然内部是不流过电流的绝缘体，但由于拓扑所产生的特殊金属状态，表面是一种可以流过电流的材料。
当拓扑绝缘体通过添加磁性杂质而被赋予磁化（磁特性）时，表面的金属态与磁化交织在一起，并表现出不寻常的导电特性。最近的研究表明，当磁化强度全部沿一个方向排列时（图 1(a)），电流仅在样品的边缘流动。量子反常霍尔效应[5]'' 已被发现发生。
“电磁效应”是一种当施加电场时发生磁化，相反当施加磁场时发生电极化的现象，并且有望应用于未来的省电存储器件。电磁效应是一种在特殊磁性材料中也可以观察到的效应，但拓扑绝缘体的电磁效应是巨大的，其大小是一个固定值，不受材料中始终存在的缺陷或杂质数量的影响。
然而，普通拓扑绝缘体由于其表面的金属状态而不会产生电磁效应。因此，为了观察电磁效应，有必要对拓扑绝缘体的表面进行绝缘。理论上，预测如果磁化方向与表面反平行（图1（b）），则表面上的所有金属态将消失，材料将成为完全绝缘体。然而，控制拓扑绝缘体的磁化方向在技术上一直很困难。
联合研究小组的目标是控制与拓扑绝缘体表面反平行的方向的磁化强度。
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| 图1 拓扑绝缘叠层薄膜中量子反常霍尔效应和电磁效应概念图 |
- (a) 当拓扑绝缘体表面的磁化强度沿一个方向排列时，会出现量子反常霍尔效应，其中电流仅在样品边缘流动（大绿色箭头）。
- (b) 当磁化强度与拓扑绝缘体的表面反平行时，即使在样品的边缘也没有电流流动，从而形成完美的绝缘体。在这种完美的绝缘体中，预计可以观察到特殊的电磁效应；例如，当施加外部磁场时，电极化会沿相同方向发生（大粉红色箭头）。
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联合研究小组是生长高质量薄膜的首批方法之一分子束外延[6]使用设备，我们自主研发“磁调制掺杂」注意)1-y锑y)2Te3（Bi：铋，Sb：锑，Te：碲）”和含有磁性元素Cr（铬）的磁性拓扑绝缘体“Crx（双1-y锑y)2-xTe3”薄膜堆叠结构是在半导体材料磷化铟（InP）基板上制造的。它具有由三层（磁性/非磁性/磁性）组成的叠层结构（图2（a）），通过产生磁性层的矫顽力（反转磁性材料的磁化所需的外部磁场的大小）的差异，可以控制两个磁性层的磁化方向。目前硬盘驱动器的磁头均采用这种磁化控制方法。巨磁阻 (GMR) 元件[7]
接下来，垂直于制作的薄膜样品施加强外部磁场以对齐磁化方向，并观察到量子反常霍尔效应（图1（a））。通过反转外部磁场的方向并逐渐增加其强度，低矫顽力层的磁化强度将在一定水平的磁场下反转（图1（b））。结果，磁化强度发生逆转，即两个磁性层的磁化强度变为反平行，同时薄膜样品中没有电流流过，表面变得完全绝缘（图2（b）和（c））。
这表明，通过控制磁化方向，可以使拓扑绝缘体的表面绝缘，并将其从量子反常霍尔效应转换为绝缘体状态，在绝缘体状态下我们可以期望观察到特殊的电磁效应。
该结果为通过控制磁拓扑绝缘体磁化方向来观测特殊电磁效应奠定了物质基础。
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| 图2 层压薄膜的霍尔电导率和纵向电导率与外部磁场的关系 |
- (a)所制造的拓扑绝缘体薄膜和磁拓扑绝缘体的叠层结构。
- (b) 为测量而准备的薄膜样品的光学显微照片。
- (c) 绿色阴影区域代表绝缘状态。纵向电导率（表示电流在电流施加方向上流动的难易程度）和霍尔电导率（表示电流在垂直于电流方向的方向上流动的难易程度）同时接近于零，这意味着电流很难在任何地方流动。根据测量的纵向电压和霍尔电压计算纵向电导率和霍尔电导率。
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未来，我们可以期待在这项研究中实现的新量子态电磁效应的直接观察。观察这种特殊的电磁效应对于理解材料的拓扑特性具有重要的基础科学意义。特别是，拓扑绝缘体有望在自旋电子学和量子计算中得到应用，加深我们对拓扑绝缘体本身的理解对于进一步发展到实际应用具有重要意义。
※联合课题组
RIKEN 突发物质科学中心
强相关物理研究组
实习生茂木正孝
（东京大学大学院工学研究科硕士第2年课程）
集团董事 德仓 义典
（东京大学大学院工学研究科教授）
强相关界面研究组
集团董事 川崎正志
（东京大学大学院工学研究科教授）
高级研究员高桥敬
（日本科学技术振兴机构 PRESTO 研究员）
强相关量子传导研究团队
专职研究员河村稔
基础科学特别研究员吉见龙太郎
东京大学工学研究科
小冢佑介讲师
东北大学金属材料研究所
冢崎厚教授
（RIKEN 客座首席研究员）
产业技术综合研究所柔性电子研究中心
函数表达式处理团队
研究小组组长白川直树[返回来源]
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[1] 拓扑绝缘体
- 一种特殊物质，是内部不导电的绝缘体，而是表面导电的金属，反映了物质中电子态的拓扑结构。[返回来源]
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[2] 电极化
- 一种状态，其中正电荷积累在物质的一侧，负电荷积累在另一侧。磁化（磁体的一种特性）对应于电极化（电的一种特性）。[返回来源]
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[3] 拓扑
- 一个数学概念，研究即使连续变形也不会改变的形状的属性。拓扑绝缘体表现出的特性取决于电子在固体中可以采取的能态拓扑（能带结构）。[返回来源]
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[4] 磁调制掺杂
- 联合研究小组开发了一种方法，在拓扑绝缘体中添加磁性元素铬（Cr）时，沿薄膜生长方向调节Cr的添加量，以增加表面附近Cr的浓度。这使得能够生产高质量的磁拓扑绝缘体。[返回来源]
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[5] 量子反常霍尔效应
- 当电子等带电粒子在磁场中运动时，其运动会因洛伦兹力而弯曲。当电流通过材料时，电子会弯曲，在垂直于电流的方向上产生电压。这种现象被称为“霍尔效应”，所得到的电压值除以流动的电流值被称为“霍尔电阻”。如果材料是磁性的，材料的磁化会弯曲电子的运动，因此即使在没有外部磁场的情况下也会发生霍尔效应。这称为“异常霍尔效应”。在量子反常霍尔效应中，霍尔电阻是量子化电阻（大约258 kΩ=小时/时间2；h是普朗克常数，e是基本电荷）。此时，电流在样品边缘流动，没有能量损失。[返回来源]
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[6] 分子束外延
- 生长高质量薄膜的方法之一。超高真空（~10-7通过在帕斯卡（帕斯卡）加热和蒸发高纯度元素，在基板上生长晶体。[返回来源]
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[7] 巨磁阻 (GMR) 元件
- 在由铁磁薄膜和非磁性薄膜组成的多层膜中，通过利用外部磁场将铁磁体的磁化方向从平行改变为反平行，电阻值发生很大变化，这被称为“巨磁阻效应”。通过将其转换为元件，可以根据电流流过该元件的难易程度来读取外部磁场的方向。 GMR 代表巨磁阻效应。[返回来源]
注) M Mogi、R Yoshimi、A Tsukazaki、K Yasuda、Y Kozuka、KS Takahashi、M Kawasaki 和 Y Tokura，“拓扑绝缘体中的磁调制掺杂可实现更高温度的量子反常霍尔效应”，申请。物理快报 107, 182401 (2015).[返回来源]