古典-量子情報科学技術の融合へ向けたスピンエキシトニクスの創生

エキシトンのスピントランジスタへの応用を目的として、三次元トポロジカル絶縁体（3DTI）ヘテロ接合における界面状態に関して研究を行った。3DTIは物質内部が絶縁体であるが表面は電子構造のトポロジーによって保護されており、高速かつ低散逸で電気を流すことができる。さらに注目すべき特性として、表面に電気を流すことでスピンが生じる「スピン運動量ロッキング」と呼ばれる性質がある。先のヘテロ接合では3DTIの上下の表面間での反転対称性の破れを反映して、電気伝導を決めるバンド構造が電子多数側と正孔多数側にシフトする。そのため3DTIから成るトランジスタ構造において、ヘテロ接合を想定したバンドエンジニアリングによりスピンをもつエキシトンを容易に設計できることが期待された。そこで本研究は、3DTI/絶縁体接合系において界面の電子状態を理論的に明らかにすることを目指した。第一原理バンド計算に基づき、まず3DTI/絶縁体接合系における界面電子状態の計算を行った。特に界面の制御性の観点から3DTIとして、その姉妹物質である三次元トポロジカル結晶絶縁体（TCI）を想定した。TCIはその表面に結晶の対称性を反映した特殊な金属状態をもつため、結晶歪みによりその対称性を破ることで界面電子状態の設計が可能になる。次の各超格子構造：SnTe/PbTe，SnSe/SnTeに対して第一原理バンド計算を行い、界面の電子状態の層数・歪依存性、及び界面バンドギャップ(m)の大きさを見積もった。その結果、トポロジカルな界面状態の発現自体が各層の厚さと歪の大きさに強く依存することが明らかになった。この結果は界面状態を単純化した数理モデルによる予想と異なるものであった。

エキシトンのスピントランジスタへの応用を目的として、三次元トポロジカル絶縁体（3DTI）ヘテロ接合における界面状態に関して研究を行った。3DTIは物質内部が絶縁体であるが表面は電子構造のトポロジーによって保護されており、高速かつ低散逸で電気を流すことができる。さらに注目すべき特性として、表面に電気を流すことでスピンが生じる「スピン運動量ロッキング」と呼ばれる性質がある。先のヘテロ接合では3DTIの上下の表面間での反転対称性の破れを反映して、電気伝導を決めるバンド構造が電子多数側と正孔多数側にシフトする。そのため3DTIから成るトランジスタ構造において、ヘテロ接合を想定したバンドエンジニアリングによりスピンをもつエキシトンを容易に設計できることが期待された。そこで本研究は、3DTI/絶縁体接合系において界面の電子状態を理論的に明らかにすることを目指した。第一原理バンド計算に基づき、まず3DTI/絶縁体接合系における界面電子状態の計算を行った。特に界面の制御性の観点から3DTIとして、その姉妹物質である三次元トポロジカル結晶絶縁体（TCI）を想定した。TCIはその表面に結晶の対称性を反映した特殊な金属状態をもつため、結晶歪みによりその対称性を破ることで界面電子状態の設計が可能になる。次の各超格子構造：SnTe/PbTe，SnSe/SnTeに対して第一原理バンド計算を行い、界面の電子状態の層数・歪依存性、及び界面バンドギャップ(m)の大きさを見積もった。その結果、トポロジカルな界面状態の発現自体が各層の厚さと歪の大きさに強く依存することが明らかになった。この結果は界面状態を単純化した数理モデルによる予想と異なるものであった。