産業技術総合研究所は12月14日、強磁場発生装置を使わずに、電気抵抗の精密測定ができる新しい量子抵抗標準素子を開発したことを発表した。新材料「トポロジカル絶縁体」によって発現する「量子異常ホール効果」を応用したもので、ホームセンターでも購入できる安価な材料を使い、国家計量標準と同等の8桁の精度を持つ量子抵抗標準素子を作り上げた。
電気抵抗は、超低温の強磁場下では量子ホール効果という現象を生じる。そのときの抵抗値は常に一定（量子化抵抗値）であるため、国際的な抵抗値の基準に使われている。そうした量子ホール効果を生む量子ホール素子を使った電気抵抗の測定には強磁場が必要で、超伝導磁石などで使われる大型の強磁場発生装置を用いなければならない。
そこで産業技術総合研究所物理計測標準研究部門は、理化学研究所創発物性科学研究センター、東京大学大学院工学系研究科、東北大学金属材料研究所と共同で、強磁場発生装置を必要としない電気抵抗の精密測定を可能にする新しい量子抵抗標準素子を開発した。
これは、2016年にノーベル物理学賞を受賞したトポロジカル絶縁体の研究が下地になっている。研究グループは、トポロジカル絶縁体によって発現する「量子異常ホール効果」という現象に着目した。量子異常ホール効果は、量子ホール効果と同じ量子ホール素子の電気抵抗値が量子化抵抗値となる物理現象だが、一般的に使われる普通の磁石程度の磁力で発現するというものだ。世界中で研究が進められているが、電流を流すと量子抵抗値がずれてしまうという不安定さがあり、現在のところ電気抵抗値の基準としては使えていない。
不安定さの原因は、トポロジカル絶縁体を構成するビスマス、アンチモン、テルル、クロムの4つの元素の濃度の不均一さにある。研究グループは、こららの元素の比率、素子構造、製作時の温度などの条件を最適化することで不均一さを低減した。これにより、測定電流が2μA（マイクロアンペア）以下での量子異常ホール効果のずれがゼロに近づき、強磁場発生装置を使わずとも国家標準と同等の精度の抵抗標準を実現することができた。
画像左：トポロジカル絶縁体を用いて作製した量子抵抗標準素子。画像右：抵抗値の量子化抵抗値からのずれ（相対値）の測定電流依存性
今後は、さらに品質改良を行い、利便性と信頼性を高めるとしている。また、この新型抵抗標準素子を搭載した小型軽量の精密電気測定装置の開発にも取り組むとのことだ。