東大ら,トポロジー由来の巨大磁気光学効果を発見

東京大学,理化学研究所,東北大学は,磁性ワイル半金属と呼ばれる近年新たに見つかった磁性体において,巨大な磁気光学応答の実証に成功した(ニュースリリース)。

近年,物質中の電子状態の理解が進み,位相幾何学(トポロジー)に基づいて分類できることがわかってきた。トポロジカルに非自明な電子構造では,従来の物質にはない電磁気応答の発現が予測されており,次世代のエレクトロニクス・フォトニクスに向けた材料として,基礎・応用の両面から精力的に研究されている。

研究グループは,トポロジカル電子構造が強く影響する光学応答の候補として,ファラデー効果やカー効果と呼ばれる磁気光学効果に着目。こうした磁性体に光を照射した際,それぞれ透過光および反射光の偏光が回転する現象は,(強)磁性体において広く観測されてきた。この効果は磁場の大きさに比例する効果のため,電子に大きな仮想磁場がかかっているようなトポロジカル物質においては,大きな効果が期待できるという。

今回着目した磁性ワイル半金属Co3Sn2S2はトポロジカル物質の代表例。この物質はトポロジカルな電子構造を持ち,またそれらに由来した巨大な異常ホール効果が発現することがわかっており,トポロジカルな電子構造に由来する巨大光学応答を探索するのに適している。

トポロジカル電子構造に関連した光学応答を包括的に調べるため,最近新たに発見された磁性ワイル半金属Co3Sn2S2において,テラヘルツから赤外領域までの広い光学領域における高精度の磁気光学測定を行なった。この物質では,フェルミ準位から0.1eV付近までに,トポロジカルな電子構造の存在が予想されている。

測定の結果,このエネルギー領域において磁気光学効果がけた外れに増大していることがわかった。磁気光学スペクトルからホール伝導度スペクトルを算出すると,理論計算とも非常に良い一致を示すことがわかった。

特に,観測されたホール伝導度スペクトルの形状は,トポロジカルな電子構造のみを考えた際のスペクトルによってほとんど説明できるため,磁気光学応答がトポロジカルな電子構造に由来していることを証明することができた。これは同時に,輸送現象である異常ホール効果においても,これらの電子構造が重要な役割を果たしていることを意味するという。

これまでテラヘルツ・赤外領域においては,大きな磁気光学効果を示す材料がほとんどなかったため,今回の発見は高効率な次世代光デバイスの開発へ向け,重要な一歩だとしている。

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