THz Control of Floquet Topological Insulator in Massless Dirac Fermions

• Project/Area Number: 18H01905
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Ichinoseki National College of Technology (2020, 2022); Institute of Physical and Chemical Research (2018-2019)
• Principal Investigator: Yamashita Masatsugu 一関工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (10360661)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2018: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000)
• Keywords: テラヘルツ光 / ディラック電子系 / トポロジー / 高次高調波 / テラヘルツ / グラフェン / テラヘルツ電磁波 / フロッケ理論 / 高強度テラヘルツ光 / 高次高調波発生 / 高強度テラヘルツ / フロッケ状態

Outline of Final Research Achievements

We performed THz spectrosocopy of massless Dirac fermions in graphene under circurlary polarized THz pump pulse (~100 nJ/pulse) irradiation and successfully observed the rotation of the polarization state of THz probe pulse, indicating the photo-indcued Hall effec. Furthermore, we successfully measured the even order of
high harmonic generation of mid infrared under circularly polarized THz pulse irraditaion. This indicates the time reversal symmetry breaking of massless Dirac fermion and the emergence of photo-induced Berry curverture and Floquet topological insulator phase in graphene.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果はTHz円偏光パルス照射によって時間反転対称性を破ることで、グラフェンMassless Dirac電子系(MDF)を非自明なFloquetトポロジカル絶縁体(FTI)へ転移させ、MDFの量子物性を制御する手法として期待できる。THz光を用いることで中赤外、近赤外励起光を用いるよりも1/10以下の低い照射強度でトポロジカル層の制御が可能であることが示された。
本手法を発展させてトポロジカル絶縁体や超伝導体に適用することにより、スピン量子ホール効果・スピン流の超高速制御、トポロジカル超伝導体・トポロジカル量子ビット（マヨナラ粒子）の実現・制御技術として期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Intrinsic and extrinsic effects on intraband optical conductivity of hot carriers in photoexcited graphene (2021)
  • Author(s): Masatsugu Yamashita and Chiko Otani
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW RESEARCH Volume: 3 Issue: 1 Pages: 013150-013150
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.013150
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hot carrier dynamics and electron-optical phonon coupling in photoexcited graphene via time-resolved ultrabroadband terahertz spectroscopy (2021)
  • Author(s): Sho Ikeda, Chiko Otani, and Masatsugu Yamashita
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW RESEARCH Volume: 3 Issue: 4 Pages: 043143-043143
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.3.043143
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Hot carrier dynamics and electron-phonon coupling in photoexcited graphene investigated by time-resolved terahertz spectroscopy (2022)
  • Author(s): Masatsugu Yamashita, Sho Ikeda, Chiko Otani
  • Organizer: 第9回「光量子工学研究」ーエクストリームフォトニクスが拓く未来の光科学ー
• [Presentation] 時間分解THz分光による グラフェン電子フォノン結合定数の評価 (2022)
  • Author(s): 山下将嗣, 池田翔, 大谷知行
  • Organizer: 第69回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Hot carrier dynamics and electron-optical phonon coupling studied by time resolved THz spectroscopy (2021)
  • Author(s): Masatsugu Yamashita, Sho Ikeda, Chiko Otani
  • Organizer: 9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical Generation of High-power Terahertz Pulses for Tunable Wave Source (2018)
  • Author(s): 吉峯功 山下将嗣 保科宏道 齊藤美紀子 南出泰亜 大谷知行
  • Organizer: 2018 43rd International Conference on Infrared, Millieter and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polarization and frequency control of terahertz pulse emission via nonlinear optical effect (2018)
  • Author(s): 吉峯功 山下将嗣 保科宏道 齋藤美紀子 南出泰亜 大谷知行
  • Organizer: 理研シンポジウム 第6回「光量子工学研究」
• [Presentation] Floquet topological phase transition by high power terahertz wave (2018)
  • Author(s): 山下将嗣 吉峯功 大谷知行
  • Organizer: 理研シンポジウム 第6回「光量子工学研究」
• [Presentation] 光パルスを用いた高強度テラヘルツ波発生における偏光・周波数制御 (2018)
  • Author(s): 吉峯功 山下将嗣 保科宏道 齋藤美紀子 南出泰亜 大谷知行
  • Organizer: シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端V」
• [Presentation] Optical terahertz emission for waveform shaping of high-power terahertz pulses (2018)
  • Author(s): 吉峯功 山下将嗣 保科宏道 齋藤美紀子 南出泰亜 大谷知行
  • Organizer: The 19th EA Sub-mm-wave Receiver Technology Workshop and the 5th Riken-NICT Joint Workshop on Terahertz Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有機非線形結晶を用いた高強度テラヘルツ波発生とその偏光制御 (2018)
  • Author(s): 吉峯功 山下将嗣 保科宏道 齋藤美紀子 南出泰亜 大谷知行
  • Organizer: 電子デバイス研究会「ミリ波・テラヘルツ波デバイス・システム」