2022 Fiscal Year Annual Research Report
ディラック・ワイル電子系における高速な光電流・スピン流の観測および制御
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21J20873
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平井 誉主在 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | ディラック電子 / フロッケ理論 / 異常ホール効果 / テラヘルツ波 / トポロジカル半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の一つの柱として、3次元ディラック電子系の代表例であるビスマスの薄膜試料に円偏光パルスを照射した際に生じるスピン流の起源について解明することが挙げられる。一昨年度及び昨年度はビスマス薄膜に中赤外の円偏光パルス(ポンプ光)を照射し、光励起された状態をテラヘルツパルス(プローブ光)の偏光回転を通して観測するという、いわゆるポンプ・プローブ測定を行うための実験系の構築、データの取得に取り組んだ。実験の結果、励起パルスのヘリシティに依存するような偏光回転が励起パルス照射下においてのみ観測された。これは円偏光が時間反転対称性を破る性質を持つことに由来する応答であり、冒頭に述べたスピン応答とも関連していていると考えられる実験結果である。
プローブ光の偏光回転はテラヘルツ帯における異常ホール効果に対応する現象だが、異常ホール効果の度合い(異常ホール伝導度)が励起光強度ではなく励起光電場強度(すなわち励起強度のルート)に比例するような強度依存性を見せた点も極めて興味深い。特殊な強度依存性と理論計算との比較によって中赤外光がディラック電子を共鳴的に駆動していることに由来する性質ではないかと考えられたが、その性質についてはまだ明らかになっていない部分が多かった。
そこで本年度は昨年度身に着けた数値計算を含む理論計算の手法を駆使し、理論物理の共同研究者と共同し円偏光とディラック電子の共鳴的な結合について考察を進めた。その結果、ワイル点のようなトポロジカルに非自明なノードが共鳴点付近においても現れ、そのトポロジカルチャージは通常のワイル点の2倍である、「フロッケ二重ワイル状態」ともいうべき状態が理論的には実現しうることが明らかになった。さらに円偏光を楕円偏光にしたりディラック電子に異方性を導入した場合の二重ワイル点の振る舞いについても理解を押し進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年も述べたように、光が共鳴的にディラック電子と結合している実験は、本研究の動機にもなっているスピン流及びテラヘルツ波放射の実験とは対応していない。そのため今年特に集中して行った理論計算や追加実験などが、ディラック電子の共鳴よりはるかに高い光子エネルギーの円偏光によって生じるスピン流に与える示唆は限定的であると言わざるを得ない。
一方で、まだ予備実験の域を出ない結果として、ディラック電子と共鳴するような中赤外光励起によっても励起ヘリシティに依存するテラヘルツ波放射が観測されることを見出している。これの起源がスピン流と関連しているかは目下不明だが、もしそうであれば円偏光によるスピン流生成の機構を今までの実験結果・理論計算と組み合わせて明らかにできる可能性はある。
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| Strategy for Future Research Activity |
大きく分けて二つの指針を考えている。
一つは、励起光の光子エネルギーをディラック電子と共鳴しない領域まで上げ、そこで改めて円偏光誘起異常ホール効果の観測を行うことである。これは、前述した共鳴特有の効果を排除し、本研究開始時に見出していた円偏光誘起スピン流生成の起源についての示唆を与えることが期待されるためである。
もう一つは、本研究の過程で予想外に見つかった、共鳴励起によって現れる新たなトポロジカル相の検証である。異常ホール効果はこのようなトポロジカルな性質を必ずしも直接反映した量であるとは言えず、より直接的な観測がなければその存在を強く主張することは難しい。実験としては磁場と組み合わせた測定や、プローブとして偏光回転ではなく高次高調波発生を使うことなどを想定している。
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