Light-spin interconversion in heavy metals with strong spin orbit coupling

Research Project

Project/Area Number	22KJ0496
Project/Area Number (Other)	20J21936 (2020-2022)
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Multi-year Fund (2023) Single-year Grants (2020-2022)
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	廣瀬葉菜東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status	Declined (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000) Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000) Fiscal Year 2022: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000) Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000) Fiscal Year 2020: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords	フォトガルバニック効果 / ディラック半金属 / スピン流 / ラシュバ型スピン軌道相互作用 / 光起電力
Outline of Research at the Start	対称性の破れが無く、スピンが縮退しているビスマスのバルクにおいて円偏光照射下での光起電流発生が我々によって観測された。今までの知見では説明できないこの高効率な光子スピン-電流変換現象にはビスマス原子の大きなスピン軌道相互作用に起因する新規な機構が潜んでいると考えられる。そこで、本研究では、光子スピン-電流変換現象の機構をスピン軌道相互作用が大きな重金属において明らかにし、この変換機構にスピン軌道相互作用がどう関与するのか解明する。
Outline of Annual Research Achievements	本年度は半金属薄膜と金属薄膜からなるヘテロ構造に円偏光を照射し、円偏光の旋回性に依存する光起電流を調査した。半金属にはディラック型の電子構造を持つとされるビスマスを用い、金属薄膜にはAgやCuを使用した。Bi/AgやBi/Cuでは、界面にラシュバ型のスピン軌道相互作用が発現することが報告されており、それが偏光依存光起電流に与える影響を調べた。（フォトガルバニック効果の発現にはラシュバ型の電子構造が必要であることが知られている。）実験の結果、半金属/金属ヘテロ構造の偏光依存光起電流が、半金属薄膜や金属薄膜などの単層膜と比較して大きく増大することがわかった。また、光の入射角度を変えて偏光依存光起電流を調査した結果（正面 vs. 背面入射）、偏光依存起電流の符号が変化した。これらの結果から、半金属/金属ヘテロ構造の偏光依存光起電流の発現機構を説明できるモデルを構築した。円偏光照射によって半金属で生成されたスピン流は、半金属/金属界面の大きなスピン軌道相互作用によって吸収され、試料全体に流れるスピン流の大きさ、符号に影響を与える。半金属の逆スピンホール効果により、スピン流は電流に変換されるため、偏光依存光起電流は半金属/金属の界面に依存する。この仮説は実験結果をよく説明できることがわかった。これらの結果は、ディラック型の電子構造を持つとされる半金属における非線形光学効果の理解に大きく貢献するものであり、今後の展開が期待される。
Research Progress Status	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。