이화학연구소, 도쿄대학, 도쿄공업대학, 영국 세인트앤드루스대학 등의 국제공동연구그룹은 전이금속 다이칼코게나이드(TMD)에서 물질표면에 스핀 방향이 갖추어진 토폴로지컬한 양자상태와 물질 내부 전체에서 그래핀과 유사한 질량 제로의 디락 전자 상태가 발현될 때의 일반적인 원리를 발견하였다.
고체 물질에서의 토폴로지컬 전자 상태와 그 상태 사이의 상전이는 2016년 노벨 물리학상의 대상이 됨으로써 큰 주목을 받고 있다.
토폴로지(위상 기하학)의 본질은, 구멍의 수나 비틀림의 수 등 연속 변형시켜도 사라지지 않는 특징으로 분류하면, 그 분류에 따른 공통의 성질이 소재의 치수나 형태 등에 관계없이 나타난다 라는 것.전자상태를 결정하는 파동함수에 이를 적용함으로써 '토폴로지컬 절연체' 등이 이론적으로 제창되어 실험에 의한 검증이 진행되었다.그러나 전략적으로 토폴로지컬 물질을 생성하기 위한 일반화된 방법론과 명확한 지침은 지금까지 없었다.
이번 국제공동연구그룹은 양자역학의 기본원리에 근거하여 TMD의 전자상태를 계산하여 거기에서 일반원리를 이론적으로 구축했다.그리고, 상세한 전자 구조를 직접 관찰할 수 있는 각도 분해 광전자 분광법에 의해 실험적인 검증을 실시한 결과, 3개의 다른 조성을 가지는 TMD에 대해 제창한 일반 원리에 의한 이론 예측대로의 토폴로지컬 표면 전자 상태나 XNUMX차원 디락 전자상태가 존재하고 있는 것을 확인할 수 있었다고 하며, 일반 원리가 올바른 것의 실증에 성공했다.
본 성과는 토폴로지컬 전자물질의 연구분야에 보편적인 기초학리를 부여함과 동시에 토폴로지컬전자상태의 제어나 물질설계에 대한 중요하고 새로운 지침이 될 것으로 기대되고 있다.
