Evaluation and application of charge to spin conversion in topological crystalline insulators

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トポロジカル結晶絶縁体材料であるPbSnTeにおける、非線形ホール効果の観測とその制御に成功した。トポロジカル結晶絶縁体とは表面状態が結晶対称性により現れる材料である。PbSnTeはトポロジカル結晶絶縁体と同時に強誘電性を有する物質でもある。強誘電性の分極を制御することで結晶対称性に起因するトポロジカル表面状態を制御した。具体的にはベリー曲率ダイポールという近年提案された物理量がPbSnTeで存在することを非線形ホール効果を介して確認し、電界による分極の制御によりベリー曲率ダイポールの向きをスイッチングした。ベリー曲率ダイポールのスイッチングはこれまでゲート電界などによる外場で制御した報告があったが、本研究でのスイッチングは材料固有の分極による制御であり、不揮発にスイッチングした状態を保てる点に特徴がある。加えて、このベリー曲率ダイポールの不揮発性スイッチング効果を室温でも観測している。5Kで測定されたベリー曲率ダイポールの大きさは160nmであり、これはこれまでWTe2やMoS2で観測された値より1桁以上大きな値を示した。トポロジカル結晶絶縁体の表面状態由来のディラック分散がこの大きな値に寄与している可能性がある。本成果はトポロジカル材料の物理的性質を不揮発に室温で制御することに成功した成果であり、トポロジカル材料の応用可能性の道を開くものである。