연구 그룹에는 Noguchi Ryo, Physical Properties 연구소의 대학원생, Kondo Takeshi 부교수 인 Kuroda Kenta, 부교수 Sasakawa Takao, Tokyo Institute, Tokyo Institute, Shirosa와 같은 연구 그룹, Nanomational repureder of the Nanomaterial repureder of the Nanomaterial with with worther institute, Sasakawa Takao 부교수 자재 측정 표준 연구, 도쿄 대학 (Arita Ryotaro), 도쿄 대학 (Riken의 팀 리더의 일부), 히라야마 모토 아키 (Hirayama Motoaki), 공학 대학원 대학원 (Riken Center of Emerging Materials), Riken Massoki, Riken, Oriki의 공학 대학원, Riken, Riken, Oken, Oken의 공학 대학원, 히라야마 모토 아키 (Hirayamama Motoaki), Arita Ryotaro 첨단 산업 과학 연구소, Arita Ryotaro 연구소의 재료 측정 표준 연구 부서 오사카 대학교 과학 대학원 등의사-온차원 적층 재료 (주 3), Bismuth Bromide Bi4br4(bi : bismuth, br : bromine)를 사용한 실험에서 공개되었습니다
고상한 바카라 하는 법 절연체는 최근 몇 년 동안 이론적으로 존재하는 새로운 양자 단계입니다 지금까지 3 차원 결정의 실현은 확인되지 않았으며 테스트가 기다리고 있습니다 이것을 실현하기 위해, 공동 연구 그룹은 의사-원 차원 비스무트 할라이드 BI4x4(x: iodine (i) 또는 Bromine (Bromine)에 중점을두면 층이 어떻게 적층되는지에 따라 다양한 위상 양자 단계를 실현할 수있는 재료 설계 안내서를 제안했습니다 (그림 1) 그중에서도 BI4br4|각도 분해 광전자 분광법 (주 4)를 사용한 전자 상태의 직접 관찰 이 재료는 세계 최초의 고차 바카라 하는 법 절연체임을 입증했습니다 (그림 2) 고차 바카라 하는 법 절연체에서, 이상적인 1 차원 스핀 전류는 결정되지 않은 결정의 특정 에지 (힌지)를 따라 안정적으로 흐르며,이 연구는 전원 절약 스핀 전류 장치 및 양자 컴퓨팅 장치를 사용하여 고급 바카라 하는 법 절연체를 사용하여 적용하는 방법을 열어줍니다
이 결과는 영국 과학 저널 "자연 재료"에 온라인으로 게시됩니다
연구 배경
모든 물질은 전기가 운반되는지 여부에 따라 금속 또는 절연체 (반도체 포함)로 분류되었습니다 그러나 약 15 년 전에 발견되었습니다바카라 하는 법 절연체 (주 5)라는 재료 그룹에서 결정 내부의 절연체에도 불구하고 결정 표면에 나타나는 금속 전자의 특징이 있습니다 표면 전류는 정상 금속을 통과하는 전류와 다르며, 스핀 전류이며, 이는 스핀 방향과 동일한 방향을 가진 전자의 흐름 인 스핀 전류입니다Spintronics (참고 6)로 대표되는 차세대 에너지 절약 기술 개발에 중요한 문제입니다 한편, 최근 몇 년 동안, 빌딩 블록과 같은 원자 층 재료라고 불리는 얇은 시트와 같은 재료를 쌓아서 이전에는 불가능했던 새로운 전기 및 자기 특성을 생성 할 수있는 재료가 활발하게 개발되었습니다 고급 연구 그룹으로서,이 연구 그룹은 현재까지 발견되지 않은 고차 바카라 하는 법 절연체를 입증하고, 고차 바카라 하는 법 절연체를 입증하기위한 목표에 기초하여 바카라 하는 법 원자 층에서 "블록"을 사용하는 재료 설계를 기반으로하는 고차 바카라 하는 법 절연체를 입증하는 것을 목표로했다
2005 년 2 차원 바카라 하는 법 절연체의 이론적 제안 이후, 바카라 하는 법 재료 단계의 분류에 대한 연구는 급속한 발전을 거쳤습니다 2007 년에는 3 차원 재료에 두 가지 유형의 바카라 하는 법 절연체가있을 것으로 예상됩니다 : 강하고 약한 실험 시연이 달성되었습니다 또한, 기존의 분류 방법에 의해 간과 된 "고차 바카라 하는 법 절연체"라는 새로운 바카라 하는 법 양자 단계가 이론적으로 예측되었고, 바카라 하는 법 특성을 갑자기 확장시킬 수있는 재료의 유형이 갑자기 예측되었다 결정의 전체 표면이 금속 화 된 "강한"및 "약한"바카라 하는 법 절연체와 달리, 고차 바카라 하는 법 절연체의 특정 특성은 시편의 가장자리 (힌지) 만 금속 화 될 것으로 예상된다 이러한 이론적 예측을 입증하기 위해서는 적절한 재료 설계 및 최첨단 실험 방법이 필요했습니다
연구 내용 및 결과
이번에는이 연구 그룹이 Bismuth Halide Bi4x4(x: 요오드 또는 브롬) 이 결정에서, 바카라 하는 법 원자 층의 빌딩 블록 구조는 자연스럽게 발생할뿐만 아니라x빌딩 블록 구조는 사이트 또는 온도에 요오드 또는 브롬을 선택하는지 여부에 따라 변경됩니다 이론적으로, 표현되는 바카라 하는 법 단계는 바카라 하는 법 층이 쌓이는 방식에 따라 다를 것으로 예상되었다Silent Light (주 7)를 사용하여 최첨단 분해 광전자 분광법 실험에서 조사되었다 그리고 레이저 결과적으로, "정상 절연체"및 "약한 바카라 하는 법 절연체"외에도, 우리는 "고차 바카라 하는 법 절연체"가 본질적으로 선택된 빌딩 블록 구조 중 하나라는 실험적으로 성공적으로 입증했습니다
β-bi 비스무트 할로드4i4에서, 구조는 각 바카라 하는 법 원자 층의 가장 간단한 스택이며, 블록 블록 (그림 1의 왼쪽 하단) 인 반면 α-bi4i4에서, 하단 스택에서 홀수 및 균일 한 층이 서로 이동하여 서로 이동합니다 (그림 1의 오른쪽 하단) 결과적으로 결정 내 전자의 바카라 하는 법는 서로 다르고 β-bi4i4결정의 측면이 금속 상태로 남아있는 동안 α-bi4i4이 경우 샘플 내부뿐만 아니라 샘플 표면에 전류가 전달되지 않으므로 소위 정상 절연체가됩니다 이번에는 우리는 특히 BI에 관심이 있었다4br4에서 홀수 및 짝수 층은 180도를 번갈아 가게 쌓아 둡니다 (그림 1의 오른쪽 상단) 따라서 결정의 전자에 의해 느껴지는 대칭은 α-bi4i4, β-bi4i4의 경우와 달리, 결과는 결정의 가장자리 (힌지) 만 금속 인 경우 고차 바카라 하는 법 절연체 상태가 실현된다는 결과입니다
힌지의 전자 상태를 관찰하기위한 장벽은 제한된 공간에서만 흐르는 소량의 전류를 감지하기가 어렵다는 것입니다 이 어려움을 극복 한이 연구의 핵심은 Bismuth Halides에 고유 한 결정 구조에 있으며, 블록 블록 인 바카라 하는 법 원자 층은 1 차원 체인을 약하게 결합하여 형성된 2 차원 표면입니다 Bi4br4의 결정 길고 길쭉한 모양을 가지며 (그림 2의 사진 참조), 체인을 풀어서 수많은 계단 구조가 표면에 형성되며, 사슬 방향으로 실행되는 선형 패턴은 대응에서 관찰됩니다 (그림 2의 왼쪽 하단) 힌지 상태는 표면에 노출 된 무수한 계단 구조 각각에 나타나기 때문에, 그들을 따라 흐르는 전류의 총량은 크고, 파악하기 어려운 것으로 알려진 힌지 상태도 bi4br4에서 데이터를 감지하기에 충분한 조건이 마련되었습니다 실제 각도 분해 광전자 분광법은 α-bi4i4atBandgap (주 8)개방형 정상 절연체 (그림 2의 오른쪽 하단) 인 것으로 확인되었지만 BI4br4에서, 밴드 갭 동안 (도 2의 오른쪽 상단) 동안 Dirac- 타입의 1 차원 바카라 하는 법 금속 전자 구조가 관찰되었으며,이 재료가 고차 바카라 하는 법 절연체임을 입증했다
미래 전망
이 연구는 "고차 바카라 하는 법 절연체"를 보여 주며, 바카라 하는 법 특성을 갖는 대상 물질의 프레임 워크가 빠르게 확장되었습니다 원자 층 적층 방법의 차이로 인해 다양한 바카라 하는 법 단계를 선택하기 위해이 연구 그룹이 제안한 재료 설계 지침을 바탕으로, 기존의 바카라 하는 법 절연체와 다른 새로운 특성이 향후 발견 될 것으로 예상된다
고차의 바카라 하는 법 절연체에 의해 생성되는 이상적인 1 차원 스핀 전류는 비 제복 될 것이라고 생각된다 또한, bi4br4결정과 같은 적층 재료에서 접착제 테이프를 사용하여 바카라 하는 법 특성을 유지하는 얇은 조각을 쉽게 제거 할 수 있습니다 이러한 장점을 활용함으로써 연구는 전력 절약 스핀 전류 장치 및 양자 컴퓨팅 장치에 고차의 바카라 하는 법 절연체를 적용 할 것으로 예상됩니다
이 연구는 일본 과학 및 기술 기관 (JST) 전략적 창조 연구 촉진 프로젝트 크레스트 "바카라 하는 법 양자 계산을위한 기본 기술 만들기"(문제 번호 JPMJCR16F2), 과학 기술의 전략적 창조 연구 프로젝트 (JP18J21892, JP18K04, JP18K04, JP18K04, JP18K04, JP18K04, JP18K04, JP18H04, JP18H04)을 기반으로합니다 JP19H02683, JP19F19030, JP19H00651) 및 광학 및 양자 및 양자 도약 프로그램을위한 교육, 문화, 스포츠, 과학 및 기술의 주력 프로그램 (Q -Leap Issue No이 프로그램은 교육, 문화, 스포츠, 과학 및 기술 결과 Acceleration Acceleration의 보조금으로 구현되었습니다 Fugaku와 최첨단 실험 사이의 긴밀한 협력을 통한 상관 전자 과학 "(주제 번호 : HP200132)
그림 1 : Bismuth Halide 원자 층의 다른 블록 구조에서 다양한 바카라 하는 법 단계를 표현하는 재료의 설계를 보여주는 개념 다이어그램 정상 절연체에서 전체 결정은 전기를 전도하지 않지만 약한 바카라 하는 법 절연체에서 내부는 절연체로 남아 있지만 일부 표면을 통한 전류는 전류가 흐릅니다 고차 바카라 하는 법 절연체에서, 결정의 표면에 닿는 능선 (힌지) 만 금속성이며 스핀 전류 흐름입니다 이 힌지 상태는 완벽한 1 차원 전도가되고, 방향 스핀은 거의 소산없이 흐르므로 스핀 전류를 쉽게 추출 할 수 있습니다
그림 2 : (왼쪽 이미지) BI4br4레이저 현미경으로 관찰 된 단결정 및 절단 된 개방 표면의 사진 BI4br4단결정의 절단 된 표면은 수많은 계단 구조로 구성되어 있으며, 이는 1 차원 구성 요소의 체인이 풀리고 각각은 경첩 상태를 생성하여 전류를 감지 할 수 있습니다 (오른쪽) BI4br4및 α-bi4i4의 전자 구조 | 바카라 하는 법 위상은 비스무트 할라이드 원자 층의 스택 방법에 따라 둘 사이에 다릅니다 α-bi4i4Fermi 레벨은 밴드 갭을 가로 지르는 절연체임을 알 수 있습니다 한편, Bi4br4바카라 하는 법 힌지 상태를 나타내는 Dirac-Type 전자 구조는 밴드 갭에 형성되며,이 재료는 고차 바카라 하는 법 절연체임을 나타냅니다
Noguchi Ryo (도쿄 대학교 물리적 특성 연구소 박사 프로그램, 극단적 인 광학 과학 연구 센터, 물리적 특성)
Kuroda Kenta (도쿄 대학교 물리적 특성 연구소의 극단적 인 광학 과학 연구 센터 조교수
Hirayama Motoaki (도쿄 대학 / 단위 공학 대학원 / 단위 리더, 통합 재료 연구 프로그램, 바카라 하는 법 재료 설계 연구 부서, Riken)
Ochi Masayuki (오사카 과학 대학원 물리학과 조교수)
Shirasawa Tetsuro (바카라 커뮤니티)
Ryotaro Arita (도쿄 대학 공학 대학원 공학 대학원/계산 재료 과학 연구 팀, 신흥 재료 과학 센터, 리켄)
Sasagawa Takao (도쿄 기술 연구소, 과학 기술 연구소의 Frontier Materials Research Institute 부교수)
Kondo Takeshi (도쿄 대학의 물리적 특성 연구소 극단적 인 광학 과학 연구 센터, 도쿄 대학 부교수, 국제 규모 양자 과학 연구소)
잡지 이름 : "자연 재료"
종이 제목 : Bismuth-Halide 체인의 Van der Waals Stacking에서 구축 된 3 차원 재료의 고차 바카라 하는 법 절연체에 대한 증거
저자 : Ryo Noguchi, Masaru Kobayashi, Zhanzhi Jiang, Kenta Kuroda, Takanari Takahashi, Zifan Xu, Daehun Lee, Motoaki Hirayama, Masayuki Ochi, Tetsawa, Penghang, Penghang, Peng Zhang, Pengawah Bareille, Shunsuke Sakuragi, Hiroaki Tanaka, Kunisada, Kifu Kurokawa, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Viktor Kandyba, Alessio Giampietri, Alexei Barinov, Timeur K Kim, Cephise Cacho, Makoto Hashimoto, Hashimoto, Hashimoto, Hashimoto Ryotaro Arita, Keji Lai, Takao Sasagawa*및 Takeshi Kondo*(*책임있는 저자)