Efficient terahertz photovoltaic effect by phonon excitation
| Project/Area Number |
22K18684
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡村 嘉大 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20804735)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 光起電力効果 / 強誘電体 / フォノン / シフト電流 / トポロジー |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、バンド間遷移を起こさずフォノンを励起することによるシフト電流の観測を狙い、これまで研究が行われてこなかったテラヘルツ領域における光起電力効果の実証を行う。そのため、シフト電流の特性を考え、フォノン励起時に伴う波動関数の大きな変化が期待される物質の光電流測定を行っていく。より具体的には、大きな振動子強度を持ったソフトフォノンを有する変位型強誘電体、巨大な電子分極を有する有機強誘電体TTF-CA、さらにはポーラーな対称性を持つワイル半金属を系統的に扱うことで、より高効率な光起電力効果の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、バンド間遷移を起こさない、フォノンを励起することによるシフト電流の観測を狙う。シフト電流は光励起時の波動関数の変化に伴う電子分極の変化が本質的起源であるため、フォノン励起時における波動関数変化が大きいほど高効率な光電流生成が期待できる。したがって候補物質として、大きな振動子強度を持ったソフトフォノンを有するBaTiO3やSbSI、巨大な電子分極を有する有機強誘電体TTF-CAなどを計画している。またこれらに加えて、電子励起による巨大なシフト電流が報告されているポーラーな結晶構造をもつワイル半金属TaAsも重要な候補である。この物質では、フォノンとトポロジカル電子構造が強く相互作用するという報告もなされているため、フォノン励起についても同様に大きな効果が発現する可能性がある。
初年度では、まずパルス面傾斜法を用いることで高強度テラヘルツ光を発生させ、光電流をオシロスコープによって取り込む測定系の整備を行い、十分な精度を実現した。その後、上に挙げた物質のうち、変位型強誘電体のBaTiO3およびSbSIの測定を行った。どちらの物質においてもテラヘルツ光照射によって光電流の観測に成功した。また、理論研究との比較を行い、シフト電流機構に由来していることを示した。さらに、周波数応答や光電流生成効率の定量的評価も行い、他の物質の電子励起におけるバルク光起電力効果の効率と比べても大きな値であることを示した。前者の研究については論文としてまとめ、PNASに出版された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
最も大きな目標であったフォノン誘起の光起電力効果の観測にBaTiO3において成功し、理論計算とも比較することでシフト電流機構であることを実証することができた。また、論文としてまとめPNASに出版されている。さらには、この現象を別の強誘電体SbSIにおいても観測することができ、普遍性を確認することができた。また、SbSIについては光電流の周波数応答や定量的評価も行うことができた。このように、フォノン誘起のシフト電流という新現象の機構や特徴について順調に明らかにできている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究では、変位型強誘電体のソフトフォノンに注目して研究を行ってきた。今後は、電子型強誘電体TTF-CAやポーラーな対称性を持つワイル半金属TaAsについても測定を行うことで、フォノン誘起のシフト電流の概念をより拡張していきたい。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
