2018 Fiscal Year Research-status Report
光渦による量子ホール・カイラルエッジ状態の電子励起と制御
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18K03481
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
音 賢一 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (30263198)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光渦 / 量子ホール効果 / エッジ状態 / スピン / キラリティ / 2次元電子系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
らせん状の等位相面をもつ光渦は、中心軸に電場ゼロの特異点を有し、その周りの放射状電場や中心軸を周回する方向の回転電場が発生するキラリティを持った光であり、光の軌道角運動量を有する特異な電磁波である。このため、光渦が半導体に吸収されたときに生じる励起電子の状態は、通常の光励起によるものとは異なることが期待されるが、光渦による半導体中の電子励起の際に、光渦の角運動量および円偏光成分による角運動量が電子系にどのように転写されるのかは自明ではなく実験的にも未解明である。さらに、電子系自身がキラリティを持つ量子ホール電子系に対する光渦励起の研究は今まで報告が無い。
量子ホール系は強磁場によるスピン分離したランダウ量子化にあるとき、電子系の軌道角運動量やスピン角運動量は明確になっており、光励起によって生じたキャリアによる伝導やスピン状態を計測することで光渦との相互作用を明らかにできるものと期待される。本研究は、光渦による電子遷移が電子系に対してどのように角運動量を転写するのか、特に電子系がキラリティを有する場合にどうなるのかという、全く未解明の現象に対して実験的に調べるものである。
平成３０年度は光渦の軌道角運動量と円偏光による角運動量が量子ホール電子系や、関連する電子励起に対してどのように影響を及ぼすのかを解明するため、光渦の顕微照射実験系の構築を行った。現有の光学窓付き超伝導電磁石内にセットされたGaAsヘテロ構造2次元電子系試料に対して、チタンサファイア波長可変レーザーを光源として空間位相変調器を用いたホログラム法により光渦を生成し照射する。この照射系を構築し、光渦および円偏光特性の制御された励起光照射による電気伝導度変化および光起電力の変化について調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究はこれまで報告が全くない、量子ホール電子系と光渦の相互作用を初めて実験的に研究するものであるので、研究開始年度である平成３０年度は特に、光渦の軌道角運動量成分および円偏光成分が量子ホール電子系に及ぼす効果について、それぞれの寄与を明確に分離して調べることができる実験系を構築することを目指した。
PCから制御された空間位相変調器を用いてホログラム法により光渦を生成するが、周期的にホログラムを変化させて光渦状態を変調し、その変化に同期したロックイン計測を行う事で光渦に対する伝導度や起電力の変化のみを抽出することに成功した。また、同時に円偏光成分を液晶リターダーによりPC制御することで、光渦のトポロジカルチャージと左右円偏光状態を制御・周期変調された励起光を生成する実験系の構築を行った。
また、半導体2次元電子系試料（GaAs/AlGaAsヘテロ接合）に対して、微細加工を行い、光渦の照射領域と試料の形状がマッチングするように円形ディスク構造試料を作製しこれを用いて伝導度変化および光起電力計測を行えるように実験系を整備した。
量子ホール状態の試料端におけるエッジ状態に対する光渦照射の効果を調べるため、様々なスポットサイズの光渦やトポロジカルチャージの大きな光渦の生成が必要であるが、実験的には様々な制約があるため思っていたほど容易では無いことが実際に実験を行って分かってきた。これに関しては、研究協力を頂いている尾松孝茂教授のグループからの助言を得て解決を図っている。これにより、光渦と円偏光の角運動量の電子系への転写に関する詳細を調べることができるものと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度に行った光渦状態および円偏光状態の制御・変調可能な光照射系をさらに改良して、光照射位置をガルバノミラーにより精密走査可能な光渦の顕微照射系を構築する。これにより光渦照射による電気伝導度・光起電力効果の変化やポンプ・プローブ法による磁気光学Kerr効果で電子のスピン状態計測を位置分解して行える実験系へと整備する。これを用いて以下の実験研究を推進する。
・光渦の照射位置依存性とエッジ状態: 光渦の影響に関して試料上での顕微マッピングを行い、特に光渦を試料端に照射したときの伝導度変化を詳細に調べてエッジ状態のカイラリティとの関連を探る。
・光渦による量子ホール電子系の伝導度変化と励起スペクトルの計測: 量子ホール系では、電子濃度と磁場値によりランダウ準位の占有数が容易に求められ、また、電子励起に必要な光のエネルギー（励起波長）も磁気光吸収の実験から正確に得ることができる。これらの情報をもとに、励起波長、光渦のトポロジカル・チャージおよび円偏光度（左・右）のパラメータの様々な組み合わせの際の電気伝導度の変化を詳細に計測する。同時に、光磁気Kerr回転計測による電子スピン偏極度の励起スペクトル測定も行い、円偏光と光渦での励起がカイラリティをもつ強磁場中の量子ホール電子系に対してどのように異なるのかを実験的に分離して調べる。
・電子スピンのスカーミオン励起などの集団励起に対する光渦の影響についても調べる。
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| Causes of Carryover |
平成３０年度は実験系の整備および試行的な実験を主に実施していたため、高価な液体ヘリウムなどの低温寒剤の費用が大きくかさむことが無く、また大学における運営費交付金等の繰り越しができない予算を優先的に使用して本研究を推進したため次年度使用額が生じた。これは平成３１年度に本格的に低温寒剤を多く用いて実験を行う予定であり、計画的に繰り越しをして研究を推進させるために必要であった。
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