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量子整流現象:非対称量子輸送の物理学

研究課題

研究課題/領域番号 23H00088
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分13:物性物理学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

井手上 敏也  東京大学, 物性研究所, 准教授 (90757014)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
48,880千円 (直接経費: 37,600千円、間接経費: 11,280千円)
2025年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2024年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 36,140千円 (直接経費: 27,800千円、間接経費: 8,340千円)
キーワード整流現象 / 対称性の破れ / スピン / 励起子 / フォノン
研究開始時の研究の概要

本研究では、固体における対称性の破れが様々な量子力学的自由度の流れの非対称性にもたらす影響を包括的に研究し、多種多様な量子力学的素励起の整流性を実現すると同時に、その背景にある原理を明らかにすることで非対称量子輸送の物理学の確立と学理構築に取り組む。これまで開拓してきた量子力学的整流現象の研究を大きく発展、拡張することによって、固体中の量子自由度を制御する有望な機能を実現すると同時に、非対称量子流に関する包括的知見や新概念の提案によって物性研究の新潮流の創出を目指す。

研究実績の概要

2次元結晶界面や層状磁性体におけるスピン自由度を反映した整流現象の開拓に取り組んだ。
2次元結晶界面の整流現象開拓では、対称性を制御した界面において円偏光光起電力効果の観測と微視的機構の解明を行った。異なる対称性を持った2次元半導体ヘテロ界面において、対称性が低下して鏡像面が1枚だけ存在するような低対称な構造が実現し、鏡像面に垂直方向に円偏光に依存したゼロバイアス光電流が生じることを見出した。また、磁性電極を用いた光電流測定を行うことにより、観測された光電流がスピン偏極していることが示唆された。さらに、照射光のエネルギー依存性が電子バンドの幾何学的性質によって上手く説明できることを明らかにした。
層状磁性体の整流現象開拓では、ファンデルワールス反強磁性体であるCuCrP2S6の第二次高調波発生(SHG)の研究を行った。SHGの大きさや偏光角度依存性の温度変化を調べ、SHGの大きさと偏光依存性が構造相転移や磁気相転移を反映して変化することを発見するとともに、その起源が電気双極子や磁気双極子起源のSHGであることを明らかにした。また、面内に磁場を印加することでSHGの大きさや偏光角度依存性が大きく変調される様子を観測し、電気磁気効果が整流性に大きく影響を及ぼしていることが示された。さらに、SHGの膜厚依存性を調べ、無磁場下および磁場下のSHGの偏光角度依存性が膜厚に応じて系統的に変化していくことを見出した。この結果は、バルク結晶が持つ鏡映対称性が破れるような薄膜領域の試料では、対称性がバルク試料よりも低下して電気磁気効果やそれを反映したSHGが変調されることを示唆している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

円偏光光電流効果はこれまで様々な量子物質で報告されているが、本研究では磁性電極を用いた測定も行うことにより、異なる対称性を持った2次元半導体ヘテロ界面において生じている円偏光光起電力効果が、実際にスピン自由度を反映した整流現象であることを示せた点が、当初想定していた以上の成果である。また、2次元結晶ヘテロ界面という非常に制御性の高い物質系で実現できたことの意義は大きい。特に、ゲート電圧によってその大きさや振る舞いを制御できることを示し、スピン自由度を反映した整流現象の制御可能性を実証できた。今後、2次元物質の組み合わせを最適化することで、スピン整流現象の巨大化やより簡便な制御性を実現できる可能性がある。
ファンデルワールス反強磁性体における第二次高調波発生(SHG)は、現在盛んに研究されているトピックスの一つであるが、まだ報告例は限られており、報告されている物質には空気中で不安定な物質も多い。本研究で空気中でも安定なファンデルワールス反強磁性体であるCuCrP2S6がユニークなSHGの振る舞いを示すことを発見できたことは、ファンデルワールス反強磁性体におけるスピン自由度を反映した整流現象の研究を今後加速させていく上で大きな進歩であると考えれられる。また、CuCrP2S6はマイクロ波領域でスピン共鳴を示すことも知られているため、今後スピン励起(スピン波・マグノン)の整流性やスピン励起と格子や電荷自由度の相関によって引き起こされる新しい整流現象の観測も期待される。

今後の研究の推進方策

固体中の対称性の破れを反映した、スピンや格子等の量子力学的自由度に関連する整流現象の研究を推進する。
異なる対称性を持った2次元半導体の界面において観測されるスピン自由度を反映した円偏光光起電力効果が、同様の手法で対称性を制御した2次元半導体/2次元磁性体界面で生じるかどうかを調べ、2次元半導体の界面において観測された円偏光光起電力効果との共通点や相違点を明らかにする。また、界面における対称性制御の手法を異なる磁気構造を持つ2次元磁性体界面に拡張することで、新奇整流現象の開拓に取り組む。結晶対称性だけでなく磁場方位依存性や磁性の層数依存性にも注意して第二次高調波発生(SHG)や光起電力効果を調べることで、非磁性2次元結晶界面にはないような特有の磁気対称性を反映した整流現象の観測を試みる。また、層状マルチフェロイクスにおけるスピン自由度を反映した第二次高調波発生(SHG)が、対称性を制御することによってどのように変調されるかを調べると同時に、同物質でスピンや格子自由度を反映した光起電力効果が生じるかどうかを調べる。さらに、これら対称性を制御した界面(2次元半導体/2次元磁性体界面や異なる磁気構造を持つ2次元磁性体界面)や層状マルチフェロイクスにおける、スピン励起(スピン波・マグノン)にも着目し、スピン励起自身の整流性やスピン励起と格子や電荷自由度の相関によって引き起こされる新しい整流現象の観測に取り組む。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 5件、 招待講演 12件)

  • [雑誌論文] Giant Modulation of the Second Harmonic Generation by Magnetoelectricity in Two‐Dimensional Multiferroic CuCrP2S62024

    • 著者名/発表者名
      Aoki Shunta、Dong Yu、Wang Ziqian、Huang Xiang S.W.、Itahashi Yuki M.、Ogawa Naoki、Ideue Toshiya、Iwasa Yoshihiro
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: - 号: 21 ページ: 2312781-2312781

    • DOI

      10.1002/adma.202312781

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Low-temperature phase transition in polar semimetal Td-MoTe2 probed by nonreciprocal transport2023

    • 著者名/発表者名
      Itahashi Yuki M.、Nohara Yamato、Ideue Toshiya、Akiba Tomoki、Takahashi Hidefumi、Ishiwata Shintaro、Iwasa Yoshihiro
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 号: 2

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.l022022

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Berry curvature dipole generation and helicity-to-spin conversion at symmetry-mismatched heterointerfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Duan Siyu、Qin Feng、Chen Peng、Yang Xupeng、Qiu Caiyu、Huang Junwei、Liu Gan、Li Zeya、Bi Xiangyu、Meng Fanhao、Xi Xiaoxiang、Yao Jie、Ideue Toshiya、Lian Biao、Iwasa Yoshihiro、Yuan Hongtao
    • 雑誌名

      Nature Nanotechnology

      巻: 18 号: 8 ページ: 867-874

    • DOI

      10.1038/s41565-023-01417-z

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An anisotropic van der Waals dielectric for symmetry engineering in functionalized heterointerfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Li Zeya、Huang Junwei、Zhou Ling、Xu Zian、Qin Feng、Chen Peng、Sun Xiaojun、Liu Gan、Sui Chengqi、Qiu Caiyu、Lu Yangfan、Gou Huiyang、Xi Xiaoxiang、Ideue Toshiya、Tang Peizhe、Iwasa Yoshihiro、Yuan Hongtao
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 5568-5568

    • DOI

      10.1038/s41467-023-41295-6

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Nonreciprocal superconducting transport in non-centrosymmetric low-dimensional materials2024

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Ideue
    • 学会等名
      APS March meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 対称性制御された2次元結晶における光電流応答2024

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ファンデルワールスヘテロ界面のデバイス物性2024

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      ISSPワークショップ 「デバイス活用で臨む有機伝導体の未来」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ファンデルワールスナノ物質の対称性制御と物性開拓2023

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      金研研究会「強相関物質における創発物性研究の現状と将来展望」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ファンデルワールスナノ物質における対称性制御と非線形伝導2023

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      ISSPワークショップ 「新物質研究の最前線:特徴的なアプローチが導く新物性」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Symmetry control and emergent photovoltaic effect in van der Waals nanomaterials2023

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Ideue
    • 学会等名
      The 4th Workshop on Functional Materials Science
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photovoltaic effect in symmetry engineered van der Waals nanomaterials2023

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Ideue
    • 学会等名
      Superstripes 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Emergent Photovoltaic Properties in van der Waals heterointerfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Ideue
    • 学会等名
      The 10th US-Japan Joint Seminar on Nanoscale Transport Phenomena
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 対称性制御による2次元物質の光起電力機能開拓2023

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum geometry and photovoltaic effect in symmetry-controlled van der Waals nanomaterials2023

    • 著者名/発表者名
      Toshiya Ideue
    • 学会等名
      Workshop on Quantum Geometry in Condensed Matter
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2次元結晶界面の対称性制御と物性開拓2023

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      日本表面真空学会若手研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 対称性制御によるファンデルワールス結晶界面の物性開拓2023

    • 著者名/発表者名
      井手上敏也
    • 学会等名
      表面界面スペクトロスコピー研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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