日本廣島大學研究生院理學研究科教授木村昭夫的研究團隊與俄羅斯聖彼得堡大學和西班牙多諾斯蒂亞國際物理可用能中心等開展了國際合作研究，利用廣島大學放射光科學研究中心基於高輝度同步輻射光和雷射的角分辨光電子能譜法，全球首次發現了「反鐵磁拓撲絕緣體」。此次的研究成果有望加速觀測未知基本粒子軸子引起的拓撲磁場電效應等新量子現象。
相關研究成果預定發佈在英國科學期刊《Nature》上，網路版已率先公開。
【研究背景】
不同於普通絕緣體的特殊絕緣體——拓撲絕緣體的發現受到了廣泛關注，併成爲2016年的諾貝爾物理可用能學獎的獲獎發現。拓撲絕緣體雖然物質内部是不導電的絕緣體，但表面表現出金屬的性質。最近5年相關研究取得了巨大進展。透過爲拓撲絕緣體增加磁鐵的功能，預測並發現了全新的現象。
此次新發現的現象之一被稱爲量子異常霍爾效應，透過在拓撲絕緣體中混入少量磁性元素，可以在沒有外部磁場的情況下沿着樣本的邊緣產生無摩擦電流。另一個是拓撲磁場電效應。一般來說，施加電場發生電極化，施加磁場發生磁化。但拓撲磁場電效應是在電場中發生磁化，在磁場中發生電極化的現象。
此前雖然在理論上預測到了這些顛覆常識的效應會在反鐵磁拓撲絕緣體中出現，但一直沒有發現相關物質。
【研究成果】
此次，研究團隊首先利用高級理論計算法預測MnBi2Te4可能是反鐵磁拓撲絕緣體。然後製作了MnBi2Te4的單晶樣本，透過調查其結構、磁性和電氣特性應答，該物質爲層狀反鐵磁材料。接下來利用廣島大學放射光科學研究中心的同步輻射光，透過角分辨光電子能譜對該樣本進行了實驗，直接觀測到了該物質表面產生巨大能隙的狄拉克電子狀態。由此，本次研究全球首次成功實施了反鐵磁拓撲絕緣體。
圖1：（a）反鐵磁拓撲絕緣體候選物質MnBi2Te4的晶體結構和（b）理論計算得出的表面能帶結構。
（a） 如方框中所示，該物質以由碲、鉍、錳（中央）原子層構成的7層塊體爲基本單位，以較弱的力層疊在一起。各塊體的錳層的磁矩在各塊體中上下交替排列，形成不具備淨磁化的「層狀反鐵磁性」。
（b） 理論計算預測，存在於體能帶（綠色）能隙中的自旋極化表面能帶上有巨大的能隙（86meV）。
圖2：透過角分辨光電子能譜觀測到的MnBi2Te4的表面能帶結構。
利用基於廣島大學放射光科學研究中心的高輝度雷射的角分辨光電子能譜法，觀測了反鐵磁拓撲絕緣體候選物質MnBi2Te4的表面能帶結構。結果如圖1所示，在具有拓撲絕緣體特徵的直線性狄拉克表面相交處觀測到了能隙。由此，全球首次透過實驗和理論兩方面證明了MnBi2Te4是反鐵磁拓撲絕緣體。
論文資訊
題目：Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator
期刊：《Nature》
DOI：10.1038/s41586-019-1840-9
文：JST客觀日本編輯部翻譯
