銅酸化物絶縁体の光励起状態と非線形光学応答に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14540320
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 遠山 貴巳 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (70237056)
• Keywords: 非線形光学応答 / 銅酸化物モット絶縁体 / 光励起状態 / スピン・電荷分離

Research Abstract

モット絶縁体の電荷ギャップは強い電子相関により生じる。したがって、半導体に代表されるバンド絶縁体とは本質的に異なる光学応答が期待される。特に、一次元モット絶縁体では、強相関電子系特有のスピン・電荷分離に起因する新奇な光学応答現象が期待される。実際、バンド絶縁体やパイエルス絶縁体に比べて何桁も大きな三次の非線形分極率が報告されている。本研究は、モット絶縁体の代表である銅酸化物絶縁体の非線形光学応答やその舞台となる光励起状態の理論的解明を行なうとともに、光エレクトロニクス材料としての設計指針を与えることを目的としている。
銅酸化物絶縁体は、銅イオン上のクーロン相互作用が酸素イオンと銅イオンのエネルギー準位差に比べて大きい電荷移動型絶縁体であるが、銅酸化物高温超伝導物質の研究から、酸素イオンの自由度を無視した単一バンドのハバード模型で充分であることが示されている。すなわちモット絶縁体とみなしてよい。そこで、本研究では単一バンド・ハバード模型およびその有効模型を用いて光励起状態および非線形光学応答を調べることにした。
まず、二次元モット絶縁体における非線形光学応答を上記の有効模型を用いて数値計算により明らかにした。一次元系とは異なり、光で誘起されたキャリアとその周りに存在するスピン自由度との相互作用が非線形光学応答に対して重要な働きをしていることを示した。また、バンド絶縁体との本質的な違いも、そのスピンの自由度にあり、実際、二次元銅酸化物の共鳴二マグノンラマン散乱スペクトルで見られる特異な入射光エネルギー依存性の起源もまたスピン自由度の存在にあることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] M.Takahashi, T.Tohyama, S.Maekawa: "Nonlinear optical response in one-dimensional Mott insulators"Journal of Physics and Chemistry of Solids. 63・6-8. 1159-1602 (2002)
• [Publications] M.Takahashi, T.Tohyama, S.Maekawa: "Nonlinear optical response in two-dimensional Mott insulators"Physical Review B. 66・12. 125102(1)-125102(8) (2002)
• [Publications] T.Tohyama, H.Onodera, K.Tsutsui, S.Maekawa: "Resonant two-magnon Raman scattering and photoexcited states in two-dimensional Mott insulators"Physical Review Letters. 89・25. 257405(1)-257405(4) (2002)
• [Publications] M.Takahashi, T.Tohyama, S.Maekawa: "Nonlinear optical response in two-dimensional Mott insulators"Physica B. (未定). (2003)
• [Publications] H.Onodera, K.Tsutsui, T.Tohyama, S.Maekawa: "Resonant two-magnon Raman scattering in two-dimensional Mott"Physica B. (未定). (2003)