2019 Fiscal Year Annual Research Report
モノサイクル高強度テラヘルツ磁場発生技術開拓とワイル磁性制御
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19H01817
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松永 隆佑 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 教授 (40251491)
中辻 知 東京大学, 物性研究所, 教授 (70362431)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / 反強磁性 / ワイル半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ybレーザーベースでの高強度テラヘルツパルス生成に取り組み、LiNbO3結晶表面における反射ロス低減のためのコーティングなどを工夫することによって、400 kV/cmの電場先頭値を持つテラヘルツパルスを生成した。金属メタマテリアル構造によるテラヘルツ磁場発生に向けて、まずゲルマニウム基板上にアンテナ構造を蒸着し、テラヘルツ発生効率と周波数特性の評価を行った。
最終的な目的であるワイル磁性体制御に向けて、非共線型ワイル反強磁性Mn3Sn薄膜に対するテラヘルツ分光に取り組んだ。0.5-1.5 THz帯の偏光回転角スペクトルを0.05 mrad以下の精度で計測できる高感度偏光分解分光システムを開発し、テラヘルツ周波数帯における異常Hall伝導を観測することに成功した。また6 THz以上の広帯域に渡って異常Hall伝導度スペクトルを計測し、1 THz程度の周波数まではほぼ無散逸にHall電流が流れること、より高周波ではワイル点周りのバンド間遷移によると思われる散逸が生じることなどを見出した。本成果により、反強磁性秩序の情報を1 ps以下の時間スケールで分解して高速に読み出す手法が開拓された。さらに光励起非平衡状態における異常Hall伝導のダイナミクスを時間分解計測する実験を進めた。
またワイル半金属と同様に質量ゼロの電子が現れるディラック半金属Cd3As2薄膜における高強度テラヘルツ波を用いた制御にも取り組み、高強度テラヘルツ電場でディラック電子を運動量空間で揺さぶることで、テーブルトップ光源で初めてテラヘルツ帯高次高調波発生を観測し、さらにそのダイナミクスを調べることで非線形性の起源がディラック電子のバンド内加速であることを見出した。
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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
本研究の最終目的であるワイル反強磁性体Mn3Snの制御を行う上で、(i)高強度テラヘルツパルス磁場により磁気秩序を制御すること、さらに(ii)その磁気秩序の変化を高速に、非熱的に検出することが重要である。今年度は異常Hall伝導をテラヘルツ周波数帯で観測することに成功し、さらに異常Hall電流が1 THz周波数帯でも無散逸に流れるなど重要な知見を得ることに成功した。これにより反強磁性磁気秩序の情報を高速に読み出す手法が確立された。
一方、研究分担者である中辻グループが最近別途行った研究で、Mn3Snと非磁性金属のヘテロ薄膜を用いて、磁場ではなくDC電流によって磁化を制御できることが報告された。テラヘルツ帯では強磁場を発生させると必ず強電場も同時に発生し、電場の方が試料と強く相互作用するために試料の破壊を引き起こすなどの問題が懸念されていたが、テラヘルツ電場で誘起される電流によって、よりシンプルに反強磁性磁気秩序を制御できる可能性が開かれた。本研究では今年度テラヘルツパルス電場の高強度化を進め、これを用いてワイル反強磁性体と同様に線形分散を示す3次元ディラック半金属Cd3As2薄膜の制御を試みた。その結果、テーブルトップ光源で初めて室温テラヘルツ高次高調波を観測することに成功するなど強い非線形性を引き出すことに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
テラヘルツ強磁場発生のためのメタマテリアル設計を進める。
またMn3Sn薄膜の電流制御も報告されたことで、この物質が示す特異な異常Hall伝導の微視的な起源を明らかにすることが重要性を増している。異常Hall伝導度を1 ps以下の時間分解能で観測できる技術を活用して、試料に光励起を行い、非平衡状態における異常Hall伝導のダイナミクスの研究を通して異常Hall伝導の起源を調べる。
さらに高強度テラヘルツ電場の発生を行い、反強磁性Mn3Snと非磁性金属のヘテロ薄膜に対して高強度テラヘルツ電場を照射して、非磁性体に誘起されるスピン流によるスピン軌道トルクを使った反強磁性秩序の制御に挑む。そのためにテラヘルツ帯で流れるスピン流を直接観測する実験にも取り組む。
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