時間反転対称性の破れたRashba電子系における非線形光学応答の理論的解析

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03527
• Research Institution: Toyo University
• Principal Investigator: 柴田 絢也 東洋大学, 理工学部, 教授 (20391972)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 運動量依存スピン軌道相互作用 / 線形応答理論 / 光学電気伝導度 / 電流誘起スピン感受率 / 負屈折現象 / 光学活性

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、昨年度に引き続き空間反転対称性が破れている(非磁性)バルクRashba電子系の線形応答領域における光学的電気伝導度, および, 電流誘起スピン分極の理論的解析を行った。この系は, 空間反転対称性の破れに伴う電子の運動量に比例したスピン軌道相互作用が誘起され、エネルギー分散がスピンに依存した二つのバンドに分離するが、この効果はラシュバ系に限らない。同様な効果は, Dresselhause型, および, Weyl型のスピン軌道相互作用でも現れる。この点に着目し、今年度はより包括的にこれらの系の線形応答領域における電気磁気光学応答の理論的解析を行い、さらに、それらに付随する光学現象の詳細な解析を行った。
Rashba型, および, Dresselhause型のスピン軌道相互作用の光学現象に対する効果で注目すべきは、系に異方性を与えることである。これにより, 電磁波の伝搬に特異な現象(負屈折現象、後進波現象)が生じることを示し、詳細な解析(入射角度と負屈折角度の依存性、透過率など)を行った。次に、Weyl型のスピン軌道相互作用に起因する光学活性の詳細な解析を行った。光学活性は、電磁波の偏光面の回転が生じる現象であるが、これを微視的に解析する為には, 有限の振動数領域に加えて電子の波数(運動量)に対して一次まで、光学電気伝導率を評価する必要がある。さらに、この光学電気伝導率は、電流-電流相関関数からの寄与、スピン-電流相関関数からの寄与からなり、特に前者は光学活性に対して大きな寄与を与えることを示すことができた。
現在、ここまでの結果を論文としてまとめている。これが終わり次第、次の課題、非線形光学応答領域の解析を遂行する予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究遂行がやや遅れている理由は、これまでの研究に加えて他のタイプのスピン軌道相互作用も含めて解析を行うことに方針を転換したからである。これにより計算量が大幅に増え時間が余計にかかってしまったが、その代償として、より包括的な議論ができるようになった。さらに、これまでの解析で得た知見は、今後予定している非線形領域でも有用であるので、今後の研究の遅れを挽回できると期待している。

Strategy for Future Research Activity

今後は、非線形応答領域の電気磁気光学現象の理論的解析を行っていく。これまでの理論的解析方法を踏襲して、先ずは、Rashba電子系における逆Faraday効果の解析を行っていきたい。この効果は、Rashba型のスピン軌道相互作用を介して、電場の二次の効果で(直流の)スピンが誘起される現象で、これは、Dresselhause型でも起こると予想されるので、その点についても研究を行っていきたい。スピン軌道相互作用を介した電場の二次の効果として、第二高調波の発生があるが、この現象はRashba、および、Dresselhause電子系では起こらない。この現象を起こすためには、これらの系に磁場や磁化を加え、時間反転対称性も破る必要があり(これは先行研究によって示されている)、その解析には非常に膨大な時間がかかると予想される。一方、Weyl型の系においては, この現象が起こる有無については先行研究ないので、先ずは、そこに焦点を当てて研究を遂行していく予定である。

Causes of Carryover

次年度使用額が生じた理由は、第75回日本物理学会年次大会が開催中止になりそれに伴う旅費が不要になったこと、また, 論文作成が終了せず論文校正等に係る費用が不要になったこと、が挙げられる。したがって、先ずは早急に論文執筆を終了させ、それに係る予算を消化し、次年度の研究計画に基づいて予算を執行していく予定である。