2023 Fiscal Year Research-status Report

Physics of transport phenomena using light-induced symmetry breaking

Research Project

Project/Area Number	22K03532
Research Institution	Chuo University
Principal Investigator	荒川直也中央大学, 理工学研究所, 専任研究員 (20736326)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	対称性の破れ / 円偏光 / 直線偏光 / 鏡映対称性 / 時間反転対称性 / 空間反転対称性 / 異常ホール効果 / バレー選択的ホール効果
Outline of Annual Research Achievements	今年度の研究実績は以下の二つに集約できます。どちらも日本物理学会で口頭発表をし、原著論文をすでに投稿し、査読中です。１、円偏光や直線偏光をグラフェンに当てた場合の鏡映対称性について理論的に調べ、光による鏡映対称性の破れを発見しました。光による鏡映対称性の破れは本研究が初めて明らかにしました。また、この鏡映対称性の破れが非対角伝導度に与える影響も解明し、円偏光の場合は非対角伝導度がantisymmetric（σ_xy=-σ_yx）になるのに対し、直線偏光の場合にはsymmetric（σ_xy=σ_yx）になることを示しました。この結果は、円偏光による光誘起異常ホール効果の起源が光による時間反転対称性と鏡映対称性の破れであることを示唆します。２、光の振動数とヘリシティが異なる二つの円偏光を重ね合わせた光をグラフェンに当てた場合の時間反転対称性と空間反転対称性の破れの条件を詳しく調べ、光によってそれらの対称性を破った場合にバレー選択的ホール効果が実現することを予言しました。グラフェンは波数空間に二つのバレーを持ち、時間反転対称性と空間反転対称性の両方が破れた場合のみバレーの縮退が解けます。二つの円偏光を重ねた光によるそれらの対称性の破れを使ってバレーの縮退を解き、光の強度をある一定以上にすることで、二つのバレーのうちの片方の電子のみがホール効果に寄与する、バレー選択的ホール効果を実現できることを示しました。これまでバレー選択的ホール効果は結晶による空間反転対称性の破れがある系に限定されていたので、本研究により結晶による空間反転対称性の破れを必要としない、新しい機構が開拓されました。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason まず、今年度の実績の一つである、光による鏡映対称性の破れの発見は、当初の計画にはなかった、昨年度の研究の副産物として得られたものです。また、もう一つの実績である、二つの円偏光を重ねた光によるバレー選択的ホール効果の予言も、昨年度行なった別の系（バレー自由度を持たない系）の研究の途上で、グラフェンのようにバレー自由度も持つ系を調べることでバレーに関する輸送現象として新しい発見につながることに気づいて予定を変更して行ったものです。当初の計画から研究内容の細かい修正は行いましたが、当初想定以上の新しい性質が解明できているため、光による対称性の破れを利用する輸送現象の物理の開拓が着実に進んでいると言えます。
Strategy for Future Research Activity	今年度は以下の四つに取り組みます。１、円偏光を二つ重ねた光を金属に当てた場合のスピン輸送と電荷輸送について、追加の計算を行い、すでに得られている成果と合わせて原著論文としてまとめ、投稿します。２、結晶の空間反転対称性が破れた金属に円偏光を当てた場合のスピン輸送や電荷輸送について、すでに学会発表を行なった内容も含め、原著論文としてまとめて投稿します。３、二つの円偏光を重ねた光による対称性の破れを利用するMott絶縁体の解析を行います。４、円偏光による対称性の破れを利用した金属の電荷輸送を電子間相互作用がある場合に拡張して解析を行います。
Causes of Carryover	本年度は関連性の高い研究会がほとんどなかったことに加え、原著論文の査読が想定よりも長引いていることが次年度使用額が生じた一因です。また、近年非常に活発な研究が行われているバレー自由度の研究について、本研究課題の目的とも合致している、本質的に新しい提案（光による空間反転対称性と時間反転対称性の破れを使ったバレー選択的ホール効果の実現）をできることに気づいたため、その研究遂行と論文執筆を最優先として行なったことも一因です。しかし、研究自体は非常に順調に進んでいるため、成果発表のための旅費や論文出版費用、研究遂行で必要なものを揃えるための費用として使う計画です。