理研 創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの茂木将孝研修生（東京大学大学院工学系研究科博士課程1年）、十倉好紀グループディレクター（同教授）、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（同教授、科学技術振興機構CREST研究代表者）、強相関量子伝導研究チームの川村稔専任研究員、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループ。米科学雑誌「Science Advances」の電子掲示板に掲載された。
トポロジカル絶縁体は、内部は絶縁体であるのに対して、表面ではトポロジー（位相幾何学）で守られた金属状態が存在している。近年、磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体で生じる「量子異常ホール効果」状態では、試料の端や磁壁（N極・S極の境目）に沿ってエネルギー散逸のない端電流が流れることから注目を集めていた。端電流を小さな外部刺激によって自由に制御できれば、トポロジカル電流の応用の幅が広がることにつながる。
今回、理研を中心とした共同研究グループは、磁性元素V（バナジウム）やCr（クロム）を添加したトポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、The：テルル）」薄膜を開発。薄膜の上部にV、下部にCrを選択的に添加することで磁性／非磁性／磁性の三層構造を形成した。
薄膜の両端に電極を付けるよう加工し、電気抵抗を測定。二つの磁性相の保磁力（磁化反転に必要な外部磁場の大きさ）の差を利用すると、互いの磁化方向が平行・反平行と変化した。磁化方向を平行から反平行に変化させたところ、電気抵抗値が10万倍大きくなる巨大な磁気抵抗効果が観測できた。これを磁気抵抗比に換算すると1,000万％を超えるという。
研究グループによると、この結果は量子異常ホール効果のトポロジー変化を引き起こし、電流を流したり遮断したりする、非散逸電流のスイッチング原理の確立を意味しているという。さらに、この高抵抗状態は理論的に予測されている「アクシオン絶縁体」と呼ばれる量子化された電気磁気効果の発現に相当すると説明する。
今後、観測温度の高温化や超伝導体、強磁性体など多彩な物質との高品質なヘテロ構造化を実現することで、エネルギー消費の少ないエレクトロニクス素子や量子コンピューティングへの応用につながると期待できる。