課題番号 ：S-15-MS-0034
利用形態 ：共同研究
利用課題名（日本語） ：磁性絶縁体/トポロジカル絶縁体薄膜ヘテロ構造・超格子の電子状態
Program Title (English) ：Electronic structure of a magnetic/topological insulator heterostructure/superlattice
利用者名（日本語） ：平原徹1), 奥山裕磨1), 杉山裕弥1),　出田真一郎2), 田中清尚2)
Username (English) ：T. Hirahara 1), Y. Okuyama 1), Y. Sugiyama 1), S. Ideta 2), K. Tanaka 2)
所属名（日本語） ：1)東京工業大学大学院理工学研究科, 2)分子科学研究所UVSOR
Affiliation (English) ：1)Department of Physics, Tokyo Institute of Technology, 2) UVSOR, IMS

１．概要（Summary ）
2008年のBi1-xSbxにおけるトポロジカル絶縁体の実験的発見以来、世界中でこの分野の研究が爆発的に行われてきた。申請者はトポロジカル絶縁体超薄膜の電子状態測定を行ってきた。特に膜厚がフェルミ波長以下の場合トポロジカル秩序が膜厚によって変わることを示すことができた(Bi2Se3)。さらに異種原子を混ぜることでフェルミ準位の制御も可能であることが明らかになった(Bi2Te3)。また２次元トポロジカル絶縁体である単層Bi膜の成長や、Biを歪ませてトポロジカルな物質に相転移することを明らかにしてきた。今回はトポロジカル絶縁体と磁性絶縁体のヘテロ接合(Bi2Se3/MnSe)においてディラックコーン(DC)にギャップが生じることを確認した。これは時間反転対称性が破れたことを意味しており、これまでの磁性不純物添加によるトポロジカル絶縁体への時間反転対称性の破れの研究とは違い、原子層レベルで制御されたヘテロ構造において表面のみに磁化を導入したことを意味している。
　
２．実験（Experimental）
使用機器：角度分解光電子分光装置DA30

実験計画：Si(111)表面を通電加熱によって1250°まで加熱して7×7清浄表面を作成する。その上にBiとSeを390Kで共吸着させるとエピタキシャル単結晶Bi2Se3超薄膜を作成できる。さらにこの上にMnとSeを供吸着して薄膜を作成する。さらいこの上にBi2Se3超薄膜、MnSe超薄膜を交互に積み重ね超格子を作成する。このように作ったヘテロ構造のバンド構造を、試料を冷却してDA30を用いて高分解能で測定した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
　実験では8QLのBi2Se3超薄膜のフェルミ準位近傍のバンド分散を測定した。ディラックコーン型の表面状態が観測された。一方MnSeとBi2Se3薄膜のヘテロ構造においてはディラックコーン型の表面状態の交点(ディラック点)においてはギャップが観測された。これはMnSeの磁化近接効果でBi2Se3の時間反転対称性が破れて、トポロジカルな保護が消失したことを示している。さらに従来の研究と異なり、バルクは非磁性状態のまま表面のみに磁化を導入できており、原子レベルで制御されたヘテロ構造における新奇な磁気近接効果の発言という点で興味深い。

４．その他・特記事項（Others）
なし

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
(1) T. Hirahara, T. Shirai, T. Hajiri, M. Matsunami, K. Tanaka, S. Kimura, S. Hasegawa, and K. Kobayashi, Physical Review Letters, Vol. 115（2015）p.p.106803-1-5.
(2) A. V. Matetskiy, I. A.Kibirev, T. Hirahara, S. Hasegawa, A. V. Zotov, and A. A. Saranin, Applied Physics Letters, Vol 107 (2015) p.p. 091604-1-4.

６．関連特許（Patent）
なし