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物性物理学：量子ホールバレー系における相互作用する多チャネルトポロジカル境界モード
Nature 566, 7744 doi: 10.1038/s41586-019-0913-0
量子ホール強磁性体（QHFM）は、スピン対称性や擬スピン対称性が自発的に破れていて、波動関数にもトポロジカル特性がある二次元電子相であり、対称性とトポロジーはQHFMを理解するための要である。対称性が破れた異なるQHFM相の間の磁壁は、ギャップレス一次元モード（基礎となる電子波動関数の、そうした界面でのトポロジー変化によって出現する量子チャネル）のホストになると予測されている。さまざまなQHFMが異なる物質で確認されているが、こうした磁壁における相互作用する電子モードはこれまで調べられてこなかった。今回我々は、走査型トンネル顕微鏡を使って、ビスマス表面のバレー分極（電子構造におけるエネルギーは等しいが量子力学的に異なるバレーの占有）が異なるQHFM相間の磁壁における、境界モードの自発的な形成を直接可視化した。分光法によって、こうしたモードがトポロジカルエネルギーギャップ内に生じ、バレー分極が磁壁を横切って切り替わると、このギャップが閉じたり開いたりすることが示された。磁壁でバレーフレーバーとモード数を変えることで、バレー分極チャネルが金属性であったり、分光学的なギャップを発達させたりするさまざまな領域を実現できた。この挙動は、バレーフレーバーに制約されるクーロン相互作用の結果であり、トポロジカルモードの電子が後方散乱できるかどうかを決めるため、こうしたチャネルは特異な種類の相互作用する一次元量子細線となる。QHFMの磁壁は、さまざまな種類の二次元物質で実現できるため、こうした量子細線における相互作用の豊かな位相空間を調べる機会が得られる。
