Efficient terahertz photovoltaic effect by phonon excitation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K18684
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Yoshihiro Okamura 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20804735)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 光起電力効果 / テラヘルツ光 / トポロジー

Outline of Final Research Achievements

By taking advantage of the topological properties of materials, we aim to observe the bulk photovoltaic effects through the phonon excitations in ferroelectric materials. Although it has been believed that interband transitions are indispensable for photocurrent generation, photovoltaic effects may occur even with low-energy excitations, mediated by interactions with electronic excitations. In fact, we have successfully observed photocurrent by terahertz photoexcitation of soft phonons in BaTiO3 and SbSI, which are known as typical ferroelectrics. We have discussed the photovoltaic effect from multiple perspectives, including mode dependence, spectral response, performance index, and comparison with first-principles calculations.

Free Research Field

光物性物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

テラヘルツ波は、次世代通信や車載レーダーなどにも応用が期待され、今回のテラヘルツ領域の光起電力効果は、検出器への応用として非常に大きな需要がある。この帯域の検出器はボロメータと呼ばれる熱感知型のものが一般に使われているが、液体ヘリウムによって冷却し熱雑音を取り除く必要があるのに加え、応答速度も非常に遅いという問題点がある。その点、今回の方法は冷却を必要とせず、応答速度もピコ秒にも到達しうる非常の短いものになる。またフォノンに注目したが、電気分極とカップルする素励起に対してこのアイディアが適用できる可能性が示唆され、基礎科学・応用の両面から重要な現象を明らかにできた。