Investigations of local excitation of two-dimensional electron systems by helical THz waves

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 15H03673
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Condensed matter physics I
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Nomura Shintaro 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (90271527)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三沢 和彦 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80251396)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 半導体 / 二次元電子系 / 偏光状態任意操作

Outline of Final Research Achievements

In this research project, we have generated polarization-twisting pulses with the polarization rotation frequency in the THz regime, and investigated a local excitation effect of two-dimensional electron gas samples by illuminating the polarization shaped pulses. For this purpose, we have fabricated and characterized GaAs/AlGaAs modulation-doped quantum well Hall-bar samples and encapsulated h-BN/MoS2/h-BN heterostructure field-effect transistors. We have, for the first time, successfully observed the switching of the direction of the photovolatge depends on the envelope helicity of the polarization-twisting pulses. These observations are explained by the circular photogalvanic effect and the classical edge photocurrent generated by acceleration of free carriers in the vicinity of the sample edge by the optical electric field of the polarization-twisting pulses.

Free Research Field

半導体物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では無磁場下非磁性体において時間反転対称性の破れた状態の実現・観測に成功した。これは無磁場下での量子ホール状態の観測、光照射による物質の量子相状態の動的制御のための重要なステップと位置付けられる。ベクトル整形ねじれ偏光パルスの回転振動数を広い範囲で調整可能であり、高い自由度で偏向状態を設定可能であることが、THz領域における物質と偏向光の関わる現象の研究にとても強力な手段であることが示された。今後、さまざまな物質系にこの手法が適用されると考えられる。本研究の成果は無もしくは低磁場下において動作するスピントロニクスデバイス、円偏光を検出するTHz帯光センサの開発に寄与すると期待される。