広帯域磁気光学分光によるトポロジカル物質の電荷ダイナミクスの研究

Research Project

Project/Area Number	23KJ0411
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Multi-year Fund
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	加藤喜大東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
Project Period (FY)	2023-04-25 – 2024-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000) Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000) Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords	トポロジカル物質 / 磁気スキルミオン / 磁気光学効果
Outline of Research at the Start	近年、線形分散を持つワイル・ディラック電子等のトポロジカル電子や、渦状の磁気構造であるスキルミオンといったトポロジカル磁気構造のもたらす新奇な物性応答が大きな注目を集めている。本研究では、これらのトポロジカル電子・磁気構造の生みだす電磁気応答の起源を実験的に解明する。その中でも磁気光学効果に着目し、そのエネルギー依存性を測定することによって、物質のトポロジーに由来した新たな巨大光学応答の開拓を行う。
Outline of Annual Research Achievements	トポロジカルなスピン構造である磁気スキルミオンに由来した磁気光学効果であるトポロジカル磁気光学効果の観測に成功した。磁気スキルミオンはナノメートルスケールの微小なスピンの渦であり、そのトポロジカルな性質などから次世代磁気メモリの情報キャリアとして期待されている。これまでスキルミオンの読み取りの手法は極めて限定されており、高速かつ簡易な読み取り手法の開拓が不可欠であった。そこで磁性体の表面での反射光の偏光面が回転する磁気光学カー効果に着目し、スキルミオン物質Gd2PdSi3において磁気光学カー効果の測定を赤外から可視領域で行った。その結果赤外領域においてスキルミオンが発現する磁場・温度領域において磁気光学効果の増強、「トポロジカル磁気光学効果」が観測された。これはスキルミオンのもたらす仮想的な磁場に由来したものである。このトポロジカル磁気光学効果のスペクトルを精査することによって、これがスキルミオンの形成による電子のバンド構造の変化に由来したものであることが明らかになった。さらに、この電子のバンド構造の変化が輸送現象であるトポロジカルホール効果の起源の一部であることが分かった。今回観測されたトポロジカル磁気光学効果はスキルミオンの光学的な検出の原理となるだけでなく、従来の磁化に由来した磁気光学効果とは起源が異なることから、原子番号の大きな元素に頼らずに大きな磁気光学効果を実現できる可能性がある。