物性物理学：ヘリコイドアーク量子状態を持つトポロジカルカイラル結晶
Nature 567, 7749 doi: 10.1038/s41586-019-1037-2
物質中の電子の量子的振る舞いは、現代のエレクトロニクスや情報技術の基礎であり、トポロジカル電子特性やトポロジカル光学特性を示す量子物質は、次世代技術に使用され得る量子化された電子応答の実現に不可欠である。今回我々は、RhSiとその等電子化合物においてカイラル結晶のトポロジカル量子特性を初めて観測したことを報告する。我々は、このタイプの物質には、結晶の構造カイラリティに起因してほぼ理想的なトポロジカル表面特性を示す量子物質相が存在することを見いだした。こうした結晶の表面の電子は、2つの高対称運動量の周りでらせん状になる極めて特異なヘリコイド・フェルミオン構造を示しており、これは電子のトポロジカルカイラリティを表している。バルクの多重縮退バンドフェルミオンの存在は、結晶対称性によって保証されているが、こうしたカイラル結晶においてトポロジカル不変量やトポロジカルチャージを決定するには、アーク状態のヘリコイドトポロジーの特定と研究が不可欠である。我々が表面で観測したヘリコイドアークは、バルクのより高スピンのカイラルフェルミオンから生じる±2のトポロジカルチャージを特徴としている。こうしたトポロジカル伝導体は、既知のカイラルワイルフェルミオン半金属に見られるものより最大長（π）が数桁大きい巨大フェルミアークを示す。今回の結果は、ヘリコイドアーク量子状態を特徴とする、構造的にカイラルな結晶における物質のトポロジカル電子状態を実証している。こうしたエキゾチックな多重カイラルフェルミオン半金属状態を用いれば、量子化されたフォトガルバニック光学応答、カイラル磁気効果など、この種の物質について予想されているオプトエレクトロニクス現象を検出できる可能性がある。
