Mott Insulator and Spin Hall Insulator : Elucidating the Physics of Nontrivial Insulators

絶縁体は古くて新しい材料である。例えば、電子間の強いクーロン斥力のために電気が流れなくなっている「モット絶縁体」にキャリアを添加すると,普通の金属まで変化していく途中で高温超伝導や巨大磁気抵抗などの巨大物性が現れるが、その際の物理の本質はまだよくわかっていない。また、スピン軌道相互作用によってエネルギーギャップが開いている絶縁体は電場によってスピン流を誘起できる「スピンホール絶縁体」である可能性が指摘され、その中でもバンド構造が一定の位相幾何学的特徴を持つものは「トポロジカル絶縁体」としてスピン偏極した金属的表面状態を持つことが明らかになり、近年大きな注目を集めている。そこで本課題では、これらの普通でない絶縁体の物理を解明することを目的として、研究代表者が持つ高品質単結晶成長技術、高度なドーピング制御技術、極低温での精密物性測定技術を活かした研究を推進している。本年度のモット絶縁体の研究においては、電子と正孔の両極性ドーピングができる(Y,La)(Ba,La)_2Cu_3O_yにおける電子-正孔ドープ非対称の詳細を調べた。また、トポロジカル絶縁体に関する研究を精力的に推進し、トポロジカル絶縁体に特有の角度依存磁気抵抗振動現象の解明、新しい構造を持つトポロジカル絶縁体TlBiSe_2の発見、これまでで最高のバルク絶縁性を持つトポロジカル絶縁体新物質Bi_2Te_2Seの発見、トポロジカル絶縁体ベースの超伝導体であるCuxBi_2Se_3における超伝導状態の物性解明など、多くの成果を得た。

絶縁体は古くて新しい材料である。例えば、電子間の強いクーロン斥力のために電気が流れなくなっている「モット絶縁体」にキャリアを添加すると,普通の金属まで変化していく途中で高温超伝導や巨大磁気抵抗などの巨大物性が現れるが、その際の物理の本質はまだよくわかっていない。また、スピン軌道相互作用によってエネルギーギャップが開いている絶縁体は電場によってスピン流を誘起できる「スピンホール絶縁体」である可能性が指摘され、その中でもバンド構造が一定の位相幾何学的特徴を持つものは「トポロジカル絶縁体」としてスピン偏極した金属的表面状態を持つことが明らかになり、近年大きな注目を集めている。そこで本課題では、これらの普通でない絶縁体の物理を解明することを目的として、研究代表者が持つ高品質単結晶成長技術、高度なドーピング制御技術、極低温での精密物性測定技術を活かした研究を推進している。本年度のモット絶縁体の研究においては、電子と正孔の両極性ドーピングができる(Y,La)(Ba,La)_2Cu_3O_yにおける電子-正孔ドープ非対称の詳細を調べた。また、トポロジカル絶縁体に関する研究を精力的に推進し、トポロジカル絶縁体に特有の角度依存磁気抵抗振動現象の解明、新しい構造を持つトポロジカル絶縁体TlBiSe_2の発見、これまでで最高のバルク絶縁性を持つトポロジカル絶縁体新物質Bi_2Te_2Seの発見、トポロジカル絶縁体ベースの超伝導体であるCuxBi_2Se_3における超伝導状態の物性解明など、多くの成果を得た。