トポロジカル物質：元素固体の混成トポロジカル量子状態

トポロジーと相互作用は、量子物質の現代的理解における基本概念である。こうした関連から、3つの重要な研究の方向性が得られる。すなわち、（1）いくつかの絡み合い相に見られるような、異なる相互作用の競合、（2）ツイスト層状物質やトポロジカル磁性体においてさまざまな現象を駆動する、相互作用とトポロジーの相互影響、（3）全く異なる新たな相を生成する、複数のトポロジカル秩序の合体である。最初の2つの例は、大きな研究分野に成長したが、最後の例は、主に実験的研究に適した材料プラットフォームがないことから、まだほとんど調べられていない。今回我々は、トンネル顕微鏡法、光電子分光法、理論解析を用いて、単純な元素固体であるヒ素における、物質の「混成」トポロジカル相を明らかにする。我々は、特有のバルク・表面・エッジ対応を通して、ヒ素が、混成ポロジカル相を安定化する結合した強い高次トポロジーを特徴とすることを見いだした。運動量空間分光測定ではトポロジカル表面状態の兆候が見られるが、実空間顕微鏡測定では、表面のさまざまな天然ナノ構造に現れる、トポロジカルに誘起されたステップエッジ伝導チャネルの独特な幾何学的形状が明らかになった。我々は、理論モデルを用いて、ヒ素におけるギャップレスのステップエッジ状態の存在が、非自明な強いZ₂不変量と非自明な高次トポロジカル不変量の両方の同時存在に依存することを示し、混成トポロジーの実験的証拠を提示する。今回の研究は、さまざまなバンドトポロジーの相互影響を探索し、関連するトポロジカルな伝導チャネルを人工的な量子デバイスやナノデバイスに利用する道筋を浮き彫りにしている。

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