2020 Fiscal Year Research-status Report

円偏光照射による電子系のスピン偏極とスピン依存シフト電流の理論

Research Project

Project/Area Number	20K03841
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	田中康寛早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (50541801)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	円偏光 / スピン軌道相互作用
Outline of Annual Research Achievements	スピン軌道相互作用が強い半導体を念頭に、円偏光照射によって生じるスピン偏極を理論的に調べた。時間依存シュレディンガー方程式を用いた実時間発展を追う計算と、フロケ理論を用いた非平衡定常状態に対する解析を相補的に行い、２次元電子系に生じるスピン偏極機構を明らかにした。光の電磁場のうち、磁場の効果は電場に比べて非常に小さいが、比較のために両者を別々に扱って計算を行った。フロケ理論による解析から、スピン軌道相互作用がある系では、円偏光電場が有効磁場を生み出し、それによってスピン偏極が現れることが分かる。本研究では、フェルミ面や電子密度に依存して、現れるスピン偏極の絶対値や符号が変化することを明らかにした。このことは、有効磁場の波数依存性を持つことおよびフェルミ面の形状を考えることで説明できる。これに対し、光の磁場に関しては、フロケ理論で高周波展開を行うと最低次では有効磁場が波数依存性を持たないことが示され、光電場とは異なる効果を持つことが分かった。時間依存シュレディンガー方程式を用いた計算からは、光照射により磁化が生じる際のダイナミクスを得ることができた。それにより、磁化が立ち上がる時間スケールや磁化に現れる振動などを議論した。また、光誘起磁化の電場振幅、周波数依存性について、フロケ理論との対応を議論することができた。これらの知見は、今後シフト電流を議論する際に有用になるものと考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 円偏光電場によるスピン偏極については、本研究課題の開始前からすでに取り組んでいたが、光の磁場の効果との比較も含めて得られた成果を論文として出版することができた。
Strategy for Future Research Activity	今後はシフト電流の計算を行っていく予定である。そのためには、価電子帯と伝導帯を持つ系にスピン軌道相互作用を導入する必要がある。実際の半導体との関連から、まずはどのようなモデルが単純かつ本質的か検討を行う。
Causes of Carryover	コロナ禍により旅費の使用がなくなったことが主な原因である。次年度は、今年度分と合わせて今後の計算のためのワークステーションを購入する予定である。