大阪大学大学院理学研究科の萩原健太氏（修士2年），生命機能研究科の大坪嘉之助教，木村真一教授，自然科学研究機構分子科学研究所の田中清尚准教授，Synchrotron SOLEIL（仏）のAmina Taleb（アミナ・タレブ）博士，高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の組頭広志教授，広島大学放射光科学研究センターの奥田太一准教授，茨城大学理学部の伊賀文俊教授らの研究グループは，希土類ホウ化物YbB ₁₂ の単結晶表面を原子1個レベルで平坦化・清浄化する技術を開発し，その表面電子状態を電子スピンや軌道対称性を分けて測定した結果，この物質が理論的に予測されていたトポロジカル近藤絶縁体(TKI)と呼ばれる状態であることを発見しました。この研究は，無散逸電流による省エネルギーデバイスやスピントロニクス技術への応用に役立つと考えられます。

本研究成果は8月31日（水）18時（日本時間）にNature Publishing Group「Nature Communications」（オンライン版）で公開されました。

結晶表面においては，原子が周期的に並んだ結晶内部（バルク）とは異なる様々な特異な現象が起きることが知られています。しかも，当然ながら結晶表面の現象はバルクの性質の影響も強く受けています。その意味で，結晶表面とは例えばグラフェンの様な純粋な2次元物質と，通常の3次元物質との境界領域に当たる，非常に興味深い研究対象です。結晶表面に現れる物理現象の中で特に注目されているのが，バルク電子状態の対称性によってその性質が定められる，トポロジカル表面状態(TSS) です。TSSは結晶表面の細かい原子構造や汚染の影響を受けずに常に電流が流れること（金属性）と，バルク物質が磁性をもたなくても電子の流れに依存した向きに電子スピンが向くという性質を持つことから，スピントロニクス等の次世代半導体素子への応用等を目的として盛んに研究が行われていました。

ここ数年，TSS単独ではなく他の物性，特に電子同士の相互作用（電子相関）によるTSSへの影響について議論が盛んになっています。電子相関が強くなった時は，高温超電導や巨大磁気抵抗などの様々な特異な現象がバルクで現れることが知られており，これとTSSとの組み合わせにより，様々な新しい物理現象が理論的に予測されています。しかし，実験的には強い電子相関と密接に関わるTSSの実現は難航しており，わずかに1種類，近藤効果 によって低温で金属から半導体（絶縁体）へ転移する，近藤絶縁体と呼ばれている六硼化サマリウムSmB ₆ の表面においてTSSが観測され，この物質がトポロジカル近藤絶縁体(TKI)であるとする報告があります。しかしながら，観測例が限られること，SmB ₆ の表面電子状態に関する別の解釈も考え得ること等から，この物質が本当にTKIか，すなわち電子相関によって現れるTSSが存在するのか否かに関して明確な結論は得られていませんでした。

本研究では，茨城大学でのみ単結晶育成に成功している別種の近藤絶縁体である12硼化イッテルビウムYbB ₁₂ 単結晶表面を清浄化し，そのバルクおよび表面の電子の動きや状態，特に電子のスピンや軌道対称性に関して初めて明らかにしました。

図1
（左）YbB ₁₂ の原子構造。緑（灰色）の丸がYb(B)原子を表す。（右）電子回折により得られた清浄表面の回折パターン。明瞭な回析点が得られ、清浄かつ周期的に配列した表面が得られたことがわかる。

本研究では，結晶劈開 の困難さ等からこれまで清浄表面が得られていなかったYbB ₁₂ 単結晶について超高真空中で加熱することで清浄面を作製し，その電子状態を角度分解光電子分光(ARPES) 法により観測しました。さらに得られた表面電子状態のスピン及び軌道角運動量偏極構造についても，スピン分解ARPES 及び円二色性ARPES により調査しました。

図1 に示したように，真空中での加熱によりYbB ₁₂ 単結晶の(001)表面からは明瞭な電子回折スポットが得られました。これは，原子1個レベルで平坦化した表面原子構造が少なくとも数十ナノメートル(nm)程度のサイズで形成されていることを示しています。

得られた清浄面についてARPES測定を行うと， 図2(a) のような電子状態が得られました。この図では，色の濃い部分に電子状態（バンド）が存在することを示しています。近藤効果によって生じた半導体の性質を表すバンドギャップの間に，電気伝導性の起源である金属的なバンドが明瞭に観測されました( 図2(a) 中，電子エネルギーが0 meV を横切る部分)。これは，TSSがYbB ₁₂ 表面に出現した場合に理論的に予測される振る舞いと一致しています。

さらに，このTSS候補電子状態について，円二色性ARPES及びスピン分解ARPES測定を行い，そのスピン及び軌道角運動量偏極を調べました。 図2(b) の円二色性ARPESの結果では，明瞭なコントラストが得られました。この結果は，YbB ₁₂ 表面状態がTSSについて予想されるようなスピン・軌道偏極構造を持っていることを示しています。

以上の結果は，近藤絶縁体YbB ₁₂ の表面において，低温の絶縁相にTSSが出現し，本物質がTKIとなっていることを表しています。

図2
(a)角度分解光電子分光により得られたYbB ₁₂ 表面電子状態の運動量（横軸）・エネルギー（縦軸）依存性。色の濃い所に電子状態が存在する。黄色線は電子状態の分散関係のガイド。下窓の曲線はフェルミ準位(0 meV )の電子状態密度曲線。
(b)円二色性角度分解光電子分光により得られた同表面電子状態の軌道角運動量偏極の様子。赤・青領域はそれぞれ逆方向に偏極している。破線は(a)で得られた電子状態の分散関係。

今回新たに発見した近藤絶縁体表面のTSSについて，詳細な表面原子構造の決定やそれに基づく理論計算との比較，あるいは表面原子1個ずつに焦点を当てた局所的な電子状態の解析を進めることで，候補物質が少ないためにこれまで理解が不十分だったTSSと強い電子相関の関係についての研究を大きく進展させることができると考えられます。このような強い電子相関物質上のTSSは，例えば次世代の半導体素子における無散逸電流による省エネルギー化やスピントロニクス素子の実現などとともに，これまで予測すらできていなかった新しい機能性の発現にも繋がるものと考えられ，今後の研究の発展が期待されます。

本研究成果は，2016年8月31日（水）18時（日本時間）にNature Publishing Group「Nature Communications」（オンライン版）で公開されました。

【題目】Surface Kondo Effect and Non-Trivial Metallic State of the Kondo Insulator YbB ₁₂
【論文誌名】Nature Communications (英国Nature Publishing group) 8月31日（水）18時（日本時間）掲載
【著者】 Kenta Hagiwara（萩原健太，大阪大・大学院生） , Yoshiyuki Ohtsubo（大坪嘉之，大阪大・助教） , Masaharu Matsunami（松波雅治，分子研・助教）, Shin-ichiro Ideta（出田真一郎，分子研・助教）, Kiyohisa Tanaka（田中清尚，分子研・准教授）, Hidetoshi Miyazaki (宮崎秀俊, 名工大・准教授), Julien Rault (仏国・ソレイユ放射光・研究員), Patrick Le Fèvre （仏国・ソレイユ放射光・主任研究員）, François Bertran（仏国・ソレイユ放射光・主任研究員）, Amina Taleb-Ibrahimi（仏国・CNRS副ディレクター）, Ryu Yukawa（湯川龍, 高エ機構・研究員）, Masaki Kobayashi (小林正起, 高エ機構・助教), Koji Horiba (堀場弘司, 高エ機構・准教授), Hiroshi Kumigashira (組頭広志, 高エ機構・教授), Kazuki Sumida (角田一樹, 広島大・大学院生), Taichi Okuda (奥田太一, 広島大・准教授), Fumitoshi Iga (伊賀文俊, 茨城大・教授) and Shin-ichi Kimura（木村真一，大阪大・教授）
（大阪大学所属の著者は下線で示しています）

この研究は，科学研究費補助金研究活動スタート支援（課題番号26887024）,基盤研究B（15H03676）,基盤研究A（23244066），および村田学術振興財団研究助成金の補助を受け，自然科学研究機構・分子科学研究所・UVSOR施設利用（課題番号26-540及び27-542），高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所・放射光共同利用（2015G540），広島大学放射光科学センター・共同利用（16AG006），Synchrotron SOLEIL standard proposal（20150291）により行われました。