Dissipationless current generation from terahertz photon via magnetic excitations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01796
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Takahashi Youtarou 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30631676)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: テラヘルツ / マルチフェロイクス / 光起電力

Outline of Final Research Achievements

We investigate the terahertz shift current generation through the creation of the magnetic excitations in the multiferroics, which break the space-inversion symmetry by the spin-orderings. The electromagnon resonance, which is a elementary excitation of multiferroics of spin-origin, is predicted to exhibit the conversion from terahertz photon to the dc current through the shift current mechanism. We demonstrated this terahertz photocurrent generation on the perovskite rare-earth manganite with cycloidal spin-spiral phase. The photo-creation of the electromagnon driven by the exchange-striction mechanism was found to generate the photocurrent, while keeping the highly insulating state without charge carriers. The observed electromagnon photocurrent is reasonably explained by the extended shift current mechanism, which incorporates the coupling between the electronic bands and spin excitations.

Free Research Field

光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光子を電流に変換する光起電力効果は現代の科学技術を支える重要な基盤である。一般的には半導体のバンド間遷移を用いることで光を電流に変換するが、この原理を直接テラヘルツ帯へ適用することは困難であり、テラヘルツ技術が発展途上である理由のひとつになっている。ここでは、マルチフェロイクス中のスピン励起の共鳴を利用することで、テラヘルツ光を電流に変換することに成功した。絶縁体中で伝導に寄与するキャリアが無くとも、光起電力が生成可能であることを実証し、量子幾何学的な効果に由来するシフト電流機構の有効性を実証できた。また、将来的にはテラヘルツ光の電流変換機能としての活用が期待できる。