Theoretical analysis of nonlinear optical response in Rashba electron system with broken time inversion symmetry

2020 Fiscal Year Annual Research 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: 空間反転対称性の破れ / 運動量依存スピン軌道相互作用 / ヴァーテックス補正 / 負屈折現象 / 後進波現象 / 旋光性現象

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運動量依存スピン軌道相互作用系の線形応答領域における電流およびスピン応答に関する理論的解析を行なった。この系は、スピン軌道相互作用の形に応じて2つのタイプに分類され、一つは, Rashba-Dresselhaus型(以下、R-D型)のスピン軌道相互作用、もう一つはWeyl型のスピン軌道相互作用である。これらの系のエネルギー分散はいずれもスピンに依存した二つのバンドに分離するが、状態密度の形がタイプによって異なる。この点に注目しながら、それぞれのタイプについて、光学的電気伝導度、電流によるスピン分極率の解析を行なったが、今年度はさらに不純物によるヴァーテックス補正を考慮した。光学的電気伝導度については、高周波領域にスピンスプリットバンド間の遷移によるカスプ構造が現れるが、ほぼどちらのタイプもドルーデモデルの結果に一致する。一方、スピン分極方向は、スピン軌道相互作用のタイプによって異なることが示せた。またヴァーテックス補正の影響は低振動数側で効いてくることも示した。これらの解析結果を踏まえて、次に、運動量依存スピン軌道相互作用によって誘起される光学的現象について解析を行なった。R-D型のスピン軌道相互作用を有する系においては、負屈折現象、後進波現象が起こりうることが先行研究によって示唆されている。本研究では有限幅のより現実的な系を想定し、電磁波の透過率等の評価を行い、ある周波数帯においては上記の特異な光学的現象が顕著となり、実験的に測定可能であることを示すことができた。Weyl型のスピン軌道相互作用を有する系においては、旋光性現象(Optical activity)の実現可能性について評価し、ある周波数領域において、大きな応答(回転角)が得られることを示した。