材料科学：グラフェンナノリボンのトポロジカルバンドエンジニアリング
Nature 560, 7717 doi: 10.1038/s41586-018-0376-8
トポロジカル絶縁体は、バルクを絶縁性に維持しながら、非常にロバストなギャップ内表面状態やギャップ内界面状態を生じる新たな物質群である。この分野の進歩は、大半が二次元や三次元のトポロジカル絶縁体や関連するトポロジカル結晶絶縁体に重点を置いたものであったが、つい最近の理論研究では、対称性によって保護された一次元トポロジカル相がグラフェンナノリボン（GNR）に存在することが予測された。こうした横方向に制限された帯状半導体グラフェンのトポロジカル相は、幅、エッジ形状、終端結晶単位胞によって決まり、ℤ2不変量（準一次元ソリトン系と同様に、2つのトポロジカルクラスを示す0か1の指数）によって特徴付けられる。異なるℤ2値を特徴とするトポロジー的に異なる2つのGNRの境界は、半充填ギャップ内局在電子状態を担うと予測されており、原理的には、この状態を物質工学のツールとして用いることができる。今回我々は、そうした状態を一次元的に並べて配置することで、トポロジー工学的GNR超格子を合理的に設計して実験的に実現し、通常なら実現不可能な電子状態を生じさせたことを報告する。また、この手法では、一次元GNR超格子の末端に新しい終端状態を直接作ることも可能になる。我々は、原子精度のトポロジカルGNR超格子を、超高真空条件下で金(111)表面に分子前駆体から合成し、低温走査型トンネル顕微鏡法と分光法によって特性評価した。今回の実験結果と第一原理計算から、こうしたGNR超格子のフロンティアバンド構造（充填状態と空状態を挟み込むバンド）が、隣り合うトポロジカル境界状態間の結合のみによって定まることが明らかになった。この非自明な一次元トポロジカル相の現れは、電子トポロジーの精密制御に基づく一次元物質のバンドエンジニアリングへの道筋を提示するものであり、一次元量子スピン物理学の研究の有望なプラットフォームとなる。
