2021 Fiscal Year Research-status Report
Theory of magnetic control utilizing photoelectrons with optical vortex
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19K03688
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
余越 伸彦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90409681)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 光渦 / 半導体量子井戸 / カイラル磁性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
軌道角運動量をもつ光（光渦）はその特徴的な空間構造をもち、物質に照射すると通常とは異なる光学遷移を起こす。このことは、光の軌道角運動量が物質内の伝導電子に新しい自由度をもたらす可能性を示唆する。光の軌道角運動量の情報を受けた光電子により物質中の磁気を生成・変調することが可能となれば、科学的興味のみならず、磁気デバイスの新しい情報処理技術の開発へと波及する可能性も持つ。
これまでの研究により、光渦ビームを照射された半導体量子井戸において、伝導電子の分散関係について局所密度近似の下で導出し、光渦由来のスピンー軌道相互作用が運動量空間におけるベリーの位相の性質を大きく変調することを明らかにした。また光渦の空間構造の影響が、渦中心から離れたところまでスピン構造を変調することもわかった。MoS2などの単層遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）に光渦ビームを照射した場合についても、同様に光学遷移選択則の変化に伴う光渦誘起のスピンー軌道相互作用が、電子スピン伝導に大きな影響を与えうることを解析的に示すことができた。また層状TMDのサイズがスピン分布に与える影響を計算し、光渦のビームウエストに比べTMDが小さくなると光渦誘起のスピンー軌道相互作用の影響が弱くなることがわかった。
一方で、カイラル磁性体に同様の共鳴光渦ビームを照射することにより起こる磁気秩序の変調については、その変調の度合いについて光渦の強度や局在スピンのギルバートダンピングの大きさに対する依存性を明らかにした。スピン波の分散関係を導出し、光渦誘起相互作用により低エネルギー領域に例外点と呼ばれる構造が現れることを示した。光渦パルスビーム照射を想定し、光渦パルスが通過する度に磁気構造が変調することを数値計算により確認し、パルス幅やダンピング定数に対する依存性を明らかにした。
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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
予定通り、光渦照射によるカイラル磁性体の磁気構造変調について、多くのパラメーター依存性を明らかにすることができた。また光渦誘起スピン間相互作用により、集団励起（スピン波）の分散関係が定性的に変化することが確認された。これらの結果については論文として発表した。また半導体量子井戸における伝導電子の分散関係について、局所密度近似を超えて光渦の空間構造がΓ-点近傍におけるベリー接続に与える影響について解析した。この結果についても論文を投稿予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
購入・設置した計算機サーバーを活用することで、引き続き解析計算では難しかった領域について数値計算を行う。特に半導体量子井戸における伝導電子について、渦中心からより離れた領域におけるスピン構造とスピン電流について、光渦のエネルギーや強度に対する依存性について明らかにする。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス蔓延の影響で予定していた出張がなくなったことにより、旅費の支出がなくなった。また投稿準備中の論文の論文掲載費が支出できなかった。今年度は、コロナウィルスの収束度合いにもよるが、前年度で得られた成果についても発表活動を精力的に行う。また執筆論文の英文校正費や掲載費にも当てる予定である。
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