東北大学大学院理学研究科の田邉洋一助教、ダウノックハン博士（当時東北大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程3年）、同原子分子材料科学高等研究機構（WPI-AIMR）の谷垣勝己教授は、3次元トポロジカル絶縁体Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_yの表面を用いた新しい原理の電流/スピン流の制御機構の動作に成功しました。

3次元トポロジカル絶縁体は、物質内部は絶縁体で電流を通さず、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しい絶縁体です。この表面状態は質量ゼロのディラック状態として知られており、非常に低散逸な電流とスピン流の生成が可能であることから省エネ素子への応用に向けた研究が行われています。しかし3次元トポロジカル絶縁体では、電流の担い手が電子の物質（n型）と正孔の物質（p型）を組み合わせるとその境界（p-n接合）において、従来のシリコンなどとは異なる原理に基づいた電流とスピン流の制御が起こることが理論から予想されていましたが、これまで実験からは観測されていませんでした。

今回研究グループは、n型の3次元トポロジカル絶縁体Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y大型薄膜を物理気相蒸着という非常に簡便で低コストな手法を用いて作成し、さらに、有機分子を蒸着するだけという容易な手法を用いて薄膜の半分の領域に正孔を注入することによって3次元トポロジカル絶縁体p-n接合の作製に成功しました。さらに、この薄膜を用いて電界効果型トランジスタを作製し、薄膜内部の電子数を変化させたところ、p-n接合の制御によって電気抵抗率が劇的に変化することを観測しました。本成果から、トポロジカル絶縁体を用いた電子デバイスにおいて鍵となるp-n接合の作製と制御が可能となったことから、省エネ素子への応用が期待されます。

本研究は世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）の支援を受けて行われたもので、英国のオンライン科学雑誌「Nature Communications」に12月9日（英国時間）オンライン掲載されました。

図. 3次元トポロジカル絶縁体p-n接合素子の模式図。n型のBi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3薄膜の一部領域に2,3,5,6-テトラフルオロ-7,7,8,8-テトラシアノ-キノジメタン（F4-TCNQ）分子を蒸着し電流の担い手を正孔（p型）に変換することによってp-n接合を作製した。

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