東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授は、分子科学研究所の田中清尚准教授、広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、日本原子力研究開発機構の竹田幸治研究主幹、東京大学大学院工学系研究科の小林正起准教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の雨宮健太教授、筑波大学数理物質系の黒田眞司教授、物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点の佐々木泰祐主幹研究員、ロシア・スペインの理論グループと共同で、トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し、その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序（用語1）の発現する温度より高い温度で閉じることを実証した。
トポロジカル絶縁体とは、物質内部は絶縁体で電流を通さないが、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しい絶縁体であり、「量子物質」（用語2）として注目されている。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性質である磁化秩序を導入することで、輸送特性として量子異常ホール効果（用語3）が実現する。磁性トポロジカル絶縁体では表面に存在するディラック電子（用語4）にエネルギーギャップが開くが、これまでの研究では、理論の予想する磁化秩序（磁性）とディラックコーンのエネルギーギャップの相関が実験的に正しいのか明確でなく、論争になっていた。
今回、トポロジカル絶縁体であるBi2Te3（ビスマステルル化合物）薄膜上にさらにTe（テルル）と磁性元素Mn（マンガン）を蒸着したところ、表面近傍にMnとTe が潜り込み、Mn4Bi2Te7/Bi2Te3 という新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造（用語5）が形成された。そしてこの物質の表面ディラックコーンのエネルギーギャップは、磁化秩序が消失する温度より一桁高い温度まで存在し、最終的には閉じることが示された。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され、デバイス応用につながることが期待できる。
本成果は、2020 年 9 月24 日に、英国科学誌「Nature Communications（ネイチャー・コミュニケーションズ）」でオンライン掲載された。