Low-dimensional van der Waals materials have been extensively studied as a platform with which to generate quantum effects. Advancing this research, topological quantum materials with van der Waals structures are currently receiving a great deal of attention. Here, we use the concept of designing topological materials by the van der Waals stacking of quantum spin Hall insulators. Most interestingly, we find that a slight shift of inversion centre in the unit cell caused by a modification of stacking induces a transition from a trivial insulator to a higher-order topological insulator. Based on this, we present angle-resolved photoemission spectroscopy results showing that the real three-dimensional material Bi4Br4 is a higher-order topological insulator. Our demonstration that various topological states can be selected by stacking chains differently, combined with the advantages of van der Waals materials, offers a playground for engineering topologically non-trivial edge states towards future spintronics applications.

Recent progress in understanding the electronic band topology and emergent topological properties encourage us to reconsider the band structure of well-known materials including elemental substances. Controlling such a band topology by external field is of particular interest from both fundamental and technological viewpoints. Here we report possible signatures of the pressure-induced topological phase transition from a semiconductor to a Weyl semimetal in elemental tellurium probed by transport measurements. Pressure variation of the periods of Shubnikov-de Haas oscillations, as well as oscillation phases, shows an anomaly around the pressure theoretically predicted for topological phase transition. This behavior is consistent with the pressure-induced band deformation and resultant band-crossing effect. Moreover, effective cyclotron mass is reduced toward the critical pressure, potentially reflecting the emergence of massless linear dispersion. The present result paves the way for studying the electronic band topology in well-known compounds and topological phase transition by the external field.

グラフェンや MoS2 などと同様に、黒リンは2次元原子膜が積層した構造をもつ。バルクでは 0.3 eVの直接遷移型バンドギャップをもつことや、積層枚数により単層の 2 eVまでバンドギャッ プを調整できる可能性があること、大きな移動度が報告されていることなどから、ポスト・グラ フェン候補として黒リンへ次世代電子デバイス材料としての期待が高まっている。加えて、黒リ ンの電気伝導性は圧力印加で大きく変化し、大気圧での半導体的振る舞いから 1 GPa程度の高圧 下で金属化することや、10 GPa程度で超伝導が発現することも分かっている。更に、半導体-金 属転移に際しては、グラフェンに類似したディラック電子状態を3次元(バルク)で持つことや、 バンド反転してトポロジカル絶縁体状態が発現することなども予想されており、応用のみならず 基礎の観点からも大変注目される。 このように非常に魅力的な物性をもつ一方で、黒 リンは高温かつ1 GP以上の高圧下で安定なリンの同 素体であるため、合成にキュービックアンビル型な どの超高圧発生装置が必要なことや、大型単結晶を 得ることも容易ではないことが課題となっている。 そこで我々は、鉱化剤と呼ばれる数種類の化合物の 共存下において黒リン単結晶が常圧下で合成できた という報告[1]に注目した。本研究では、文献の 再現実験を行うとともに、リンの一部をヒ素やテル ルに置換した単結晶も含めた育成条件の最適化や、 得た単結晶の物性評価などに取り組んだ。 石英管内に AuSn と SnI4と赤リンを封管して熱処 理することで、ヘキ開性をもつ数 mm 角の薄片状単 結晶が育成できた(図1挿入写真)。ヘキ開面からの X線回折は (0K0) ピークのみをもち、面直が積層方 向の b軸であることが確認できた(図1)。得た単結 晶を用いて物性評価を行ったところ、光透過率から はバンドギャップが 0.3 eVであること(図2挿入図)、 面内の電気抵抗率は半導体的であり、アームチェア ー構造に沿う方向(c軸)の抵抗率が垂直方向(a軸) より 1 桁近く大きいという面内異方性など、高圧合 成で得られている単結晶と同様な特性を確認するこ とができた。一方で、本育成法では光透過性を有す る極薄で高面積の単結晶が free-standing で成長して いることも確認され、高圧が不要である以上の可能 性も認められた。現在、置換効果や圧力効果の検討 も進めている。