【研究領域課題番号】21H01796 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ / 磁性体 / 光起電力効果 / マルチフェロイクス

【研究成果の概要】

テラヘルツ帯の光照射による光起電力の実現を目指し、特にマルチフェロイクスがテラヘルツ帯に有するエレクトロマグノン共鳴に着目した研究を進めている。当該年度は、代表的なマルチフェロイクスであるペロブスカイト型マンガン酸化物を対象に研究を行った。マンガン酸化物は最低温でサイクロイド型らせんにスピンが配列する。この時、スピン秩序由来の自発分極が生じる。このスピン秩序由来の反転対称性の破れは、バルク光起電力効果の必要条件のひとつである。また、ノンコリニアならせん型スピン構造により、テラヘルツ帯にエレクトロマグノンの共鳴が現れる。このエレクトロマグノンをテラヘルツ光で共鳴励起することで、2次の非線形光学効果のひとつである光起電力効果が期待できる。この現象は。バンドギャップよりもはるかに小さなフォトンエネルギーによる光起電力効果であり、シフト電流機構を介することで実現することが理論的に予想されている。我々はパルステラヘルツ光源を用いて、実証実験を行った。テラヘルツ光源は0.2－2.0 THzをカバーするスペクトル幅を持っており、マンガン酸化物のエレクトロマグノンの帯域をカバーしている。テラヘルツ光の照射により試料の両端に発生した光電流をプリアンプで増幅したのち、オシロスコープで観測した。測定の結果、テラヘルツ光に同期した電流発生が観測された。光電流は強誘電相でのみ観測され、常誘電相では消失した。この結果は、マルチフェロイクスがテラヘルツ帯の光起電力効果を示すことを明らかにしたものである。また、光起電力の大きさが、強誘電分極の大きなにスケールせず、特異な温度依存性を示すことが明らかになった。これは、従来の強誘電体のバルク光起電力効果とは大きく異なる傾向である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17H06601 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / テラヘルツ / エデルシュタイン効果 / 光物性 / 物性実験

【研究成果の概要】

本研究課題では、テラヘルツ光を利用することで、高速・高効率のスピン流生成の新原理構築を目指した。テラヘルツ領域は伝導電子のドルーデ応答や局在スピンの磁気共鳴などの多彩な応答が存在する上に、光学実験の特長を活かすことで超高速応答やスピン偏極方向などの詳細な知見が得られることが期待できるためである。本研究期間においては、高強度テラヘルツ光照射機構の立ち上げやテラヘルツ光誘起の超高速スピン生成のための予備実験として磁気カー効果を用いることで電流誘起磁化の観測を様々な物質において観測した。これによって、今後これらを組み合わせることでピコ秒程度のスピン生成の実現の土台が整ったといえる。

【研究の社会的意義】

スピン制御はメモリデバイスの応用などの観点から非常に重要な意義があり、近年の物性物理における最も大きなテーマの１つとして盛んに研究されている。実際にこれまで、電気・熱・光など様々な原理によるスピン制御方法が実証されてきた。本研究では、その新たな手法として、テラヘルツ光により誘起される伝導電子の極限的に高速なコヒーレントダイナミクスを利用することで、超高速・高効率なスピン生成の新原理実証を目指した。本研究期間では、電流によるスピン偏極の観測や高強度テラヘルツ光の測定系の構築などを達成することができた。これらは完全には目標を達成できていないものの、最終目標に向けて着実に歩を進めることができた。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2017-08-25 - 2019-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】17H04845 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / マルチフェロイクス / テラヘルツ分光 / マルチフェロイック / 磁性体 / テラヘルツ

【研究成果の概要】

カイラリティは空間反転対称性の破れを示し、物理・光学・化学・生物など幅広い分野で重要な概念である。通常は化学的な結晶構造に由来して物質がカイラリティを持つ。しかし、スピンの秩序においても、カイラリティが生じ、その重要性が近年広く議論されている。本研究では、スピン構造に由来したカイラリティの基礎特性の解明、その制御などスピンを使うことで得られる自由度の開拓を目的とした。テラヘルツ帯の偏光分光を行うことで、らせん型スピン構造に由来した自然旋光性を観測することに成功した。更に、自然旋光性を指標とすることで、カイラルドメイン壁のダイナミクスの動的相転移の観測に成功した。

【研究の社会的意義】

カイラリティは対称性の破れを示す普遍的な概念である。一般的にはカイラリティは結晶や分子中の原子位置によって生じるが、スピン構造によっても結晶構造とは独立にカイラリティを持ちうる。スピン構造由来のカイラリティの最も基本的な特性である、自然旋光性をテラヘルツ帯のエレクトロマグノンの共鳴で観測することに成功し、カイラリティが外場で制御しうることを明らかにした。この結果はスピン由来のカイラリティの持つ基礎特性を解明しただけではなく、スピン構造特有の機能性を持ちうることを示したものである。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】26,260千円 (直接経費: 20,200千円、間接経費: 6,060千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】15H05452 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ / 超伝導 / ヒッグス機構 / テラヘルツ分光 / ヒッグスモード

【研究成果の概要】

超伝導における秩序パラメーターの揺らぎに相当する集団励起モード、いわゆるヒッグスモードの性質を、高強度テラヘルツパルスを用いた非線形光学応答を駆使して詳細に調べた。従来型s波超伝導体の非線形テラヘルツ応答にはヒッグスモードが支配的に寄与していることを証明し、BCS平均場近似を用いるとヒッグスモードの寄与を一縷しく過小評価してしまうことを示した。また強い定常電流下においてヒッグスモードが光学活性化し線形応答においても観測されることを示した。さらに銅酸化物高温超伝導体に注目し、d波超伝導のヒッグスモードの観測に成功したほか、非平衡ジョセフソンプラズマ共鳴の解釈について新たな知見を得た。

【研究の社会的意義】

超伝導は素粒子物理と極めて高い類似性を持つことが古くから知られ、その研究の発展は物理学全体に大きな影響を及ぼしてきたが、ヒッグス粒子に相当する集団的振る舞い（ヒッグスモード）は、普遍的現象であるにも関わらずこれまでほとんど調べられていなかった。高強度テラヘルツパルスによる最先端光学測定を用いた我々の研究によって、超伝導ヒッグスモードを観測する実験が実現し、様々な超伝導体においてその性質が明らかになった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】26706011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / マルチフェロイクス / テラヘルツ分光 / マルチフェロイック / エレクトロマグノン / テラヘルツ / 磁性体

【研究成果の概要】

テラヘルツ帯に現れるエレクトロマグノン共鳴を利用し、電気磁気光学効果の新原理の開拓、巨大応答の実現を目指した研究を行った。らせん型に配列したスピン構造を利用することで、エレクトロマグノン共鳴における磁気カイラル効果を実現した。これは結晶構造に依存せずスピン構造のみに由来する現象であり、らせん磁性体の持つ一般的な動的応答である。特にデラフォサイト型の物質においては、４００％もの光学応答の変化を示す巨大な電気磁気光学効果（方向２色性）を実現した。一方、磁性由来の強誘電分極の伸縮モードに対応するエレクトロマグノンを観測し、その共鳴が電気磁気光学効果を示すことを明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】24,700千円 (直接経費: 19,000千円、間接経費: 5,700千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】26287060 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ / スピン制御 / オルソフェライト / メタマテリアル / スピン再配列転移 / スピン

【研究成果の概要】

これまで利用が進んでいなかったテラヘルツ電磁波の磁場成分を活用して、スピンの制御と非線形効果の発現に関する実験的研究を行った。その結果、分割リング型のメタマテリアルにおいて、近接場効果によって約10倍の磁場増強効果があることを実証した。
この増強磁場と近赤外パルスによる励起を組み合わせることによって、エルビウムオルソフェライトにおいて巨視的な磁化を発生させることに成功した。また、これまでにない長寿命のスピン歳差運動を発見し、その時間波形の試料形状依存性から、多数の固有モードが同時励起されていることを示した。これらの結果は、超高速磁気記録やスピントロニクスの進展に寄与するものと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24840012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 物性実験 / 光物性 / 磁性体 / テラヘルツ / マルチフェロイック / エレクトロマグノン / 電気磁気光学効果 / 磁気共鳴

【研究成果の概要】

本課題ではマルチフェロイックと呼ばれる磁性と誘電性が強く結合した物質に置いて現れる新しいスピン波であるエレクトロマグノンに関する研究を行った。サイクロイド型磁気秩序を持つ磁性体においてエレクトロマグノンとその電気磁気光学効果を磁場で制御することで、２０倍以上の強度の増強に成功した。さらに、スクリュー型磁気秩序に由来したエレクトロマグノンの磁気カイラル効果の実現にも成功し、テラヘルツ帯での巨大な方向２色性を観測した。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2012-08-31 - 2014-03-31

【配分額】2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】23244065 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / テラヘルツ分光 / 高強度テラヘルツ光 / テラヘルツ光 / 非線形光学効果 / キャリア増幅 / テラヘルツ / 非線形分光 / 半導体光物性

【研究成果の概要】

高強度テラヘルツ電場によって誘起される固体内の電子の極限的な加速や極端に非平衡な電子系の生成を目指して、高強度テラヘルツ光源の開発をおこなった。グラフェンや半導体量子井戸においては、極端に高いエネルギー状態まで電子が加速され、衝突イオン化過程によってキャリア増幅がおきることを明らかにした。また、高強度テラヘルツ電場下での固体電子系で期待される極端な非線形光学過程を記述可能な理論を構築し、高次高調波発生のテラヘルツ強度依存性を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】47,710千円 (直接経費: 36,700千円、間接経費: 11,010千円)