Electromagnetic response of Weyl antiferromagnet studied by terahertz spectroscopy

• Project/Area Number: 20J01422
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松田 拓也 東京大学, 物性研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: テラヘルツ分光 / ワイル反強磁性体 / 異常ホール効果 / テラヘルツ / 非平衡ダイナミクス / 多極子制御 / ワイル半金属 / 内因性異常ホール効果 / 多極子 / 反強磁性 / 光物性

Outline of Research at the Start

ディラック点やワイル点のような線形分散を有する物質群が示すトポロジカルな性質を調べることは、近年の物性物理学の中心的テーマの１つである。本研究ではテラヘルツ分光を中心とした測定を行い、ワイル反強磁性体Mn3Snにおける電磁応答の解明を行う。さらに光によって誘起される非平衡状態のダイナミクスや非線形応答を明らかにし、最終的にはワイル磁性を高速に制御することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題ではテラヘルツ分光測定を通してワイル反強磁性体Mn3Snの電磁応答の理解を進め、光を用いてワイル磁性を高速に制御することを目指している。
２０２２年度は主に（１）極端光励起非平衡下で現れる散乱の受けにくく有効質量の軽いキャリアを発見し、（２）テラヘルツ電場による超高速磁化制御実験を行った。
（１）ワイル磁性体Mn3Snに非常に強いパルスレーザーを照射した際の極端な非平衡状態に注目し、テラヘルツ分光法を用いてホール伝導度を調べた。ある閾値を超えた高強度レーザーを照射すると、異常ホール効果が小さくなるとともにサイクロトロン共鳴が出現することを発見した。その結果から平衡状態と比べてキャリアの移動度が2000倍以上も高くなったことを見出した。平衡状態では電子間に強い多体相関が働くことでバンド構造が大きく変化して有効質量が非常に重くなるばかりか、散乱時間が10 fs以下であることがわかっている。一方、本研究では高密度光励起されたキャリアによって、もともと存在する多体相関が遮蔽されてバンド構造が著しく変化した結果、移動度の高いキャリアが現れたと考えられ、これはまさにワイルフェルミオンの性質が顕在化したことを強く示唆している。また本研究は、極端非平衡状態特有の振る舞いを時間分解ホール伝導度測定から明らかにしたものとして、今後様々な強相関電子系に対して適用されうる手法を開拓した重要な結果であると考えられる。
（２）テラヘルツ波の電場成分によって磁化を制御し、可視光のKerr回転でプローブし、電流パルスで磁化を初期化する、「テラヘルツポンプーKerr回転プローブー電流リセット測定」を、２０ ｕｍ角のTa/Mn3Snヘテロ薄膜に対して行った。その結果、テラヘルツ電場によって磁化を超高速に変調することにすることに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Ultrafast Dynamics of Intrinsic Anomalous Hall Effect in the Topological Antiferromagnet Mn3Sn (2023)
  • Author(s): Matsuda Takuya、Higo Tomoya、Koretsune Takashi、Kanda Natsuki、Hirai Yoshua、Peng Hanyi、Matsuo Takumi、Yoshikawa Naotaka、Shimano Ryo、Nakatsuji Satoru、Matsunaga Ryusuke
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 130 Issue: 12 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.130.126302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stimulated Rayleigh Scattering Enhanced by a Longitudinal Plasma Mode in a Periodically Driven Dirac Semimetal Cd3As2 (2022)
  • Author(s): Murotani Yuta、Kanda Natsuki、Ikeda Tatsuhiko N.、Matsuda Takuya、Goyal Manik、Yoshinobu Jun、Kobayashi Yohei、Stemmer Susanne、Matsunaga Ryusuke
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Issue: 20 Pages: 207402-207402
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.207402
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tracking Ultrafast Change of Multiterahertz Broadband Response Functions in a Photoexcited Dirac Semimetal Cd3As2 Thin Film (2022)
  • Author(s): Kanda Natsuki、Murotani Yuta、Matsuda Takuya、Goyal Manik、Salmani-Rezaie Salva、Yoshinobu Jun、Stemmer Susanne、Matsunaga Ryusuke
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 22 Issue: 6 Pages: 2358-2364
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04890
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Room-temperature terahertz anomalous Hall effect in Weyl antiferromagnet Mn₃Sn thin films (2021)
  • Author(s): 松田 拓也、肥後 友也、神田 夏輝、松永 隆佑
  • Journal Title: Oyo Buturi Volume: 90 Issue: 12 Pages: 752-756
  • DOI: 10.11470/oubutsu.90.12_752
  • NAID: 130008123112
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • Year and Date: 2021-12-01
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SX-ARPES で調べる強磁性スピネル HgCr2Se4の半導体的電子状態 (2023)
  • Author(s): 田中宏明，A. V. Telegin，Yu. P. Sukhorukov，V. A. Golyashov，O. E. Tereshchenko，A. N. Lavrov，松田拓也，松永隆佑，明石遼介，M. Lippmaa，新井陽介，室隆桂之，出田真一郎，田中清尚，近藤猛，黒田健太
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] ２色レーザー誘起エアプラズマにより発生したTHzパルスを用いた振動和周波発生分光法 (2023)
  • Author(s): 亀山理紗子，田中駿介，松田拓也，室谷悠太，神田夏輝，松永隆佑，吉信淳
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Ultrafast dynamics of a photoexcited and periodically-driven Dirac semimetal Cd3As2 studied by multiterahertz time-domain spectroscopy (2022)
  • Author(s): Natsuki Kanda, Yuta Murotani, Tatsuhiko N. Ikeda, Takuya Matsuda, Manik Goyal, Jun Yoshinobu, Yohei Kobayashi, Susanne Stemmer, and Ryusuke Matsunaga
  • Organizer: CLEO 2022
• [Presentation] トポロジカルWeyl反強磁性体Mn3Snにおけるテラヘルツ高速スピントロニクス (2022)
  • Author(s): 松永隆佑、松田拓也
  • Organizer: 電気学会調査専門委員会第11回「光・熱・電気との相互作用を活用した高機能磁気デバイス技術調査専門委員会」
• [Presentation] 三次元ディラック半金属Cd3As2における円偏光誘起異常ホール効果とその起源 (2022)
  • Author(s): 室谷悠太，神田夏輝，岡隆史，松田拓也，Manik Goyal，吉信淳，小林洋平，Susanne Stemmer，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] ワイル反強磁性金属Mn3Snにおける高密度励起による有効質量の軽いキャリアの出現 (2022)
  • Author(s): 松田拓也，肥後友也，是常隆，神田夏輝，平井誉主在，Hanyi Peng，松尾拓海，吉川尚孝，島野亮，中辻知，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Extreme nonequilibrium states in strongly-correlated Weyl antiferromagnet studied by terahertz spectroscopy (2022)
  • Author(s): Takuya Matsuda
  • Organizer: 2nd International Symposium on Trans-Scale Quantum Science
• [Presentation] 高密度励起したワイル反強磁性体Mn3Snにおける有効質量の軽いキャリアの出現 (2022)
  • Author(s): 松田拓也，肥後友也，是常隆，神田夏輝，平井誉主在，Hanyi Peng，松尾拓海，吉川尚孝，島野亮，中辻知，松永隆佑
  • Organizer: 第33回光物性研究会
• [Presentation] ワイル反強磁性金属Mn3Sn薄膜における異常ホール伝導度の光励起ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 松田拓也，神田夏輝，肥後友也，是常隆，中辻知，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 周期的光電場に駆動されたディラック半金属における誘導レイリー散乱とスローライト生成 (2022)
  • Author(s): 室谷悠太，神田夏輝，池田達彦，松田拓也，Manik Goyal，吉信淳，小林洋平，Susanne Stemmer，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 3次元ディラック半金属Cd3As2薄膜における円偏光誘起異常ホール効果の観測 (2022)
  • Author(s): 神田夏輝，室谷悠太，松田拓也，Manik Goyal，吉信淳，小林洋平，Susanne Stemmer，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] トポロジカル半金属を用いたテラヘルツ高速エレクトロニクス・スピントロニクス (2021)
  • Author(s): 松永隆佑，神田夏輝，松田拓也
  • Organizer: 令和３年度テラヘルツ応用システム研究会
  • Invited
• [Presentation] Terahertz and multiterahertz nonlinear responses in 3D Dirac semimetal Cd3As2 (2021)
  • Author(s): Ryusuke Matsunaga, Natsuki Kanda, Yuta Murotani, and Takuya Matsuda
  • Organizer: 9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies
  • Invited
• [Presentation] Nonequilibrium dynamics of broadband response function in Dirac semimetal Cd3As2 studied by multiterahertz spectroscopy (2021)
  • Author(s): Ryusuke Matsunaga, Natsuki Kanda, Yuta Murotani, and Takuya Matsuda
  • Organizer: VIII Ultrafast Dynamics and Ultrafast Bandgap Photonics
  • Invited
• [Presentation] 3次元トポロジカル半金属によるテラヘルツ高速エレクトロニクス・スピントロニクス (2021)
  • Author(s): 松永隆佑，神田夏輝，松田拓也，室谷悠太
  • Organizer: シンポジウム「テラヘルツ科学の最先端VIII」
  • Invited
• [Presentation] テラヘルツ駆動されたディラック半金属Cd3As2における誘導レイリー散乱と室温無散逸スローライト生成 (2021)
  • Author(s): 室谷悠太，神田夏輝，池田達彦，松田拓也，Manik Goyal，吉信淳，小林洋平，Susanne Stemmer，松永隆佑
  • Organizer: シンポジウム 「テラヘルツ科学の最先端VIII」
• [Presentation] Surface electron dynamics on clean and chemisorbed Pt(111) surfaces studied by terahertz-field-induced second harmonic light (2021)
  • Author(s): Shunsuke Tanaka, Tomohiro Fujimoto, Yuta Murotani, Takuya Matsuda, Natsuki Kanda, Ryusuke Matsunaga, and Jun Yoshinobu
  • Organizer: The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
• [Presentation] 間反転対称性の破れたワイル半金属WTe2のテラヘルツ非線形応答 (2020)
  • Author(s): 松田拓也，神田夏輝，池田達彦，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 3次元ディラック半金属Cd3As2薄膜における室温高効率テラヘルツ高次高調波発生と非平衡ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 神田夏輝，Bing Cheng，池田達彦，松田拓也，夏沛宇，Timo Schumann，Susanne Stemmer，板谷治郎，N.P. Armitage，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ディラック半金属におけるテラヘルツ高次高調波の発生機構と電子の散乱・緩和時間依存性 (2020)
  • Author(s): 池田達彦，神田夏輝，Bing Cheng，松田拓也，夏沛宇，Timo Schumann，Susanne Stemmer，板谷治郎，N.P. Armitage，松永隆佑
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] ワイル反強磁性体Mn3Snの室温テラヘルツ異常ホール効果 (2020)
  • Author(s): 松永隆佑，神田夏輝，松田拓也
  • Organizer: 日本磁気学会第229回研究会「テラヘルツ領域におけるスピントロニクス研究の現状と展望」
  • Invited
• [Presentation] Room-temperature large anomalous Hall effect in Weyl antiferromagnet Mn3Sn thin film (2020)
  • Author(s): Takuya Matsuda, Natsuki Kanda, Tomoya Higo, N.P. Armitage, Satoru Nakatsuji, and Ryusuke Matsunaga
  • Organizer: CLEO 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz spectroscopy for dynamics in Dirac and Weyl semimetals toward high-speed electronics and spintronics (2020)
  • Author(s): Ryusuke Matsunaga, Natsuki Kanda, and Takuya Matsuda
  • Organizer: JSAP-OSA Joint Symposia
  • Invited
• [Presentation] Efficient terahertz frequency conversion in a Dirac semimetal Cd3As2 and terahertz anomalous Hall effect in a Weyl antiferromagnet Mn3Sn (2020)
  • Author(s): Ryusuke Matsunaga, Natsuki Kanda, and Takuya Matsuda
  • Organizer: Electromagnetic responses in wideband from GHz to visile light region
  • Invited