研究小组成员包括东京大学固体物理研究所的Takeshi Kondo副教授、Kenta Kuroda助理教授、研究生Ryo Noguchi，以及东京工业大学科学技术研究所前沿材料研究所、米乐m6官方网站Takao Sasakawa副教授材料测量标准研究部与纳米结构材料评估研究小组高级研究员 Tetsuro Shirasawa、RIKEN 新兴物质科学中心计算材料科学研究小组组长有田 Ryotaro Arita 以及大阪大学理学院研究生院物理系助理教授 Masayuki Ochi 合作。伪一维(注4)4I4中观察到“弱”拓扑绝缘体相（Bi：铋，I：碘）世界首次。此外，通过控制晶体接近室温的冷却速率，我们实现了从正常绝缘体到拓扑绝缘体相的转变，并演示了与这种转变相关的自旋电流的开/关控制。
自旋电子学被视为对抗信息爆炸的救星，取代了阻碍信息积累的电子学。理想的条件是自旋电流以无限高的速度（超高速）传播，像激光一样沿直线传播（超方向性），并且无损耗地传输信息（完全无耗散）。理论上预测“弱”拓扑绝缘体可以实现这一点，但直到现在才被发现。
在这项研究中，我们在世界上首次展示并观察到了一种“弱”拓扑绝缘体，它可以产生理想的自旋电流，这是自旋电子学应用所期待的。这使得创建可利用激光照射可逆地重写信息的“自旋电子学”版本的DVD成为可能，并被认为将带来利用无耗散自旋传导的下一代自旋电子学技术的新发展，无耗散自旋传导可以说是拓扑物理性质的本质。
这一成果发表在英国科学杂志《自然'' 预定于2019年2月11日（英国时间）发布。
研究背景
“拓扑绝缘体”作为继“金属”、“半导体”、“绝缘体”之后的第四种固态的存在于2005年从理论上被提出，并很快被实验证明。此后，世界各地都在竞相开展基础和应用研究。 2016年，诺贝尔奖被授予拓扑理论研究，在进一步支持下，“拓扑绝缘体”研究现已成为材料科学最热门的研究主题之一。
在拓扑绝缘体表面出现的金属态中，会产生不伴随电流（即因电阻引起的热能损失）的自旋电流（纯自旋电流），因此其器件应用值得期待。在拓扑物理学诞生之初，人们就从理论上预测，拓扑绝缘体是一种三维材料，可以分为两类：“强”和“弱”。然而，由于迄今为止发现的所有拓扑绝缘体都被归类为“强”拓扑绝缘体，所以问题仍然存在：“弱”拓扑绝缘体真的存在吗？是一个需要解决的重大主题。
在传统的“强”拓扑绝缘体中，自旋电流发生在材料的每个晶体表面上。然而，由于这种特性，自旋流不仅呈放射状扩散，难以以流的形式提取，而且在应用方面也存在缺点，例如由于不同取向的自旋分散在一起而无法维持自旋状态。另一方面，在本研究发现的“弱”拓扑绝缘体中，自旋电流仅局限于晶体的侧面并沿一个方向传导，从而产生极高的方向性（超方向性）。此外，由于上下自旋保持反平行，因此自旋态的寿命几乎是无限的（完全无耗散）（见图1）。这些是“弱”拓扑绝缘体独有的优异特性，并且可能是实际将纯自旋电流应用于器件的决定因素。
在“弱”拓扑绝缘体中，自旋电流仅在晶体侧面传导，与“强”拓扑绝缘体不同，该材料由类似于普通绝缘体的晶体表面和拓扑绝缘体特性变得明显的晶体表面的组合组成。为了验证这些特性，需要独立测量每个晶体表面的电子态。然而，“弱”拓扑绝缘体的演示即使在其预测十年后仍然阻碍着研究人员，不仅因为没有候选材料可以实现这一点，而且还因为需要特殊的实验技术。在这项研究中，我们确定了最合适的候选材料，并利用尖端的光电子能谱和表面X射线衍射技术，首次成功观察到“弱”拓扑绝缘体，结束了这一悬而未决的问题。
研究内容和结果
在本研究中，β-Bi 具有准一维晶体结构4I4使用同步加速器辐射纳米显微镜/角分辨光电子能谱（注5）通过使用设备，我们直接观察到了“弱”拓扑绝缘体的表面电子态。纳米显微镜/角分辨光电子能谱仪通过将照射到样品上的光最大限度地聚焦而实现了数百纳米的空间分辨率，使得直接观察受薄样品限制的薄样品的最小方面的电子状态成为可能。
实验结果发现，虽然晶体顶面上的电子态与普通绝缘体相同，但拓扑绝缘体的特性仅出现在晶体的侧面（见图 2）。这是世界上第一个“弱”拓扑绝缘体的观测结果，只有通过尖端的纳米显微光谱才能实现。此外，研究表明，在“弱”拓扑绝缘体中，拓扑表面电子态被限制在晶体侧面，从而产生高度定向的自旋电流。目前已发现的“强”拓扑绝缘体中，自旋电流在晶体表面呈放射状流动，扩散的自旋态被强烈耗散，无法有效地提取自旋电流。然而，在“弱”拓扑绝缘体的一侧，负责自旋的电子具有零质量和极高的迁移率（即极高的速度），并且几乎耗散的自旋电流是超方向流动的并且不受散射（见图1）。此外，该课题组通过控制晶体在室温附近的冷却速率，研制出了弱拓扑绝缘体β-Bi4I4是普通绝缘体 α-Bi4I4来控制自旋电流的开启和关闭。迄今为止，通过冷却速率控制的结构相变或ON/OFF现象已被普遍用作可逆DVD写入的原理。这项研究的结果证明了创建采用类似原理利用拓扑相写入信息的磁盘介质的可行性，也为利用理想自旋传导的自旋注入内存控制技术奠定了基础。
这项研究成果解决了拓扑物理诞生以来悬而未决的问题（“弱”拓扑绝缘体真的存在吗？），为自然科学科学原理的发展做出了巨大贡献。除了做出重大贡献外，他们还证明了超快、超方向、完全耗散的理想自旋电流的出现和控制，这对于未来自旋电子器件的发展极为重要。
未来展望
这项研究展示了世界上第一个“弱”拓扑绝缘体，并展示了超越传统已知“强”拓扑绝缘体的功能。在材料科学发展最迅速的拓扑凝聚态物理领域，发现较晚的“弱”拓扑绝缘体的验证尚未开始，可以说其潜力仍是未知的。未来，研究很可能会继续在理论上和实验上发现其他拓扑绝缘体无法实现的新特性。此外，预计“弱”拓扑绝缘体的载流子控制和微加工将导致新型自旋电流器件的开发。
这项研究是在日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究推进小组研究 (CREST) 研究领域“创造有助于二维功能原子和分子薄膜的创建和利用的基础技术”研究领域（研究主管：Atsushi Kurobe）下进行的，项目编号 JPMJCR16F2（研究代表：Sasakawa 它是作为该项目（Takao）的一部分进行的。
杂志名称：“自然”2019
论文标题：准一维碘化铋中的弱拓扑绝缘体态
作者：R。野口、T Takahashi、K Kuroda、M Ochi、T Shirasawa、M Sakano、C Bareille、M Nakayama、M D Watson、K Yaji、A Harasawa、H Iwasawa、P Dudin、T K Kim、M Hoesch、V Kandyba、A Giampietri、A Barinov、S Shin、R Arita、T笹川*和近藤武* (*通讯作者)
DOI：101038/s41586-019-0927-7