東京大学物性研究所の野口亮大学院生、黒田健太助教、近藤猛准教授、および東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所の笹川崇男准教授らの研究グループは、産業技術総合研究所物質計測標準研究部門ナノ材料構造分析研究グループの白澤徹郎主任研究員、東京大学大学院工学系研究科の有田亮太郎教授（理化学研究所創発物性科学研究センター チームリーダー兼任）、東京大学大学院工学系研究科の平山元昭特任准教授 (理化学研究所創発物性科学研究センター ユニットリーダー兼任)、大阪大学大学院理学研究科の越智正之助教らの研究グループと共同で、擬一次元積層物質における高次トポロジカル絶縁体の実現を、ビスマス臭化物 Bi4Br4（Bi：ビスマス、Br：臭素）を用いた実験から明らかにしました。

高次トポロジカル絶縁体は、近年その存在が理論的に予想された新しい量子相です。これまで三次元結晶での実現は確認されておらず、実験によるその検証が待ち望まれていました。今回、本共同研究グループは、その実現に向け、トポロジカル原子層を自在に組み換えられる擬一次元ビスマスハライドBi4X4（X：ヨウ素（I）または臭素（Br））に着目し、その積層の取り方によってさまざまなトポロジカル量子相を実現できる物質設計指針を提案しました(図)。その中でも特徴的な積み木構造を有するBi4Br4に対して、角度分解光電子分光法を用いた電子状態の直接観測を行った結果、この物質が世界初となる高次トポロジカル絶縁体であることを実証しました。高次トポロジカル絶縁体では、結晶の特定の稜線（ヒンジ）に沿って、無散逸となる理想的な一次元スピン流が安定して流れるため、本研究によって、高次トポロジカル絶縁体を利用した省電力スピン流デバイスや量子計算デバイスへの応用の道が拓かれました。

本成果は、英国科学誌「Nature Materials」に2021年1月4日（英国時間）にオンライン掲載されました。

図：ビスマスハライド原子層の異なる積み木構造から、さまざまなトポロジカル相を発現させる物質設計を示す概念図。通常の絶縁体では結晶全体が電気を流さないが、弱いトポロジカル絶縁体においては、内部は絶縁体のままだが、ある表面には電流が流れる。高次トポロジカル絶縁体では、結晶の面と面が接する稜線(ヒンジ)だけが金属的となりスピン流が流れる。このヒンジ状態は、完全な一次元伝導となるため、向きを揃えたスピンがほぼ散逸すること無く流れ、スピン流が抽出しやすい。

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