理研ら,光電流のトポロジカルな性質を実証

理化学研究所(理研)と東京大学は,強誘電体を含む空間反転対称性の破れた物質に光を照射したときに発生する光電流が,結晶中の格子欠陥や格子振動による散乱を受けにくい「トポロジカル電流」としての性質を持つことを実証した(ニュースリリース)。

超電導のようにエネルギー散逸を伴わない「トポロジカル電流」の存在が明らかになってきた。トポロジカル電流は超伝導電流と異なり,原理的には室温以上でも観測が可能とされている。外部電圧なしに発生する光電流は,トポロジカル電流の一つと考えられている。

空間反転対称性が破れた物質では,価電子帯と伝導帯で電子の波動関数が異なる量子力学的な位相を持つため,光によって価電子帯から伝導帯へと電子の遷移を起こすと,両者の位相差に応じて電子雲が空間的に変位(シフト)を起こし,外部電場なしに電流が発生する。

このような機構で生じる光電流は「シフト電流」と呼ばれるが,強誘電体で発生する光電流の起源には諸説あり,シフト電流であることを明確に実証した例はこれまでなかった。

研究グループは,大きな分極を持つ代表的な強誘電体で,かつ可視光を強く吸収する半導体的な性質も併せ持つ,硫化ヨウ化アンチモン(SbSI)を用いて,結晶中の格子欠陥が光電流に及ぼす影響を調べた。単結晶試料合成の際のわずかな条件の違いで,試料中の欠陥密度が大きく変化することを利用し,欠陥密度の異なるSbSIの単結晶試料を多数用意した。

これらの試料に疑似太陽光を照射し,発生する光電流を測定した。すると最も欠陥密度の高い試料と低い試料では,光を照射しない状態での電気伝導度は5桁以上もの違いがあるにもかかわらず,光照射下で電圧なしに生じるゼロバイアス光電流はほぼ同じ値であることが分かり,光電流が欠陥や格子振動などによる散乱に対して非常に堅牢であることが示された。

この結果は,観測したゼロバイアス光電流が量子位相に駆動されるシフト電流であることの強い証拠となるという。さらに,分光した光を試料に照射して,電気伝導度とゼロバイアス光電流の作用スペクトルを測定し,作用スペクトルからもシフト電流の証拠を得た。

研究グループはこの結果について,高効率の太陽電池や高感度の光検出器の開拓につながるものだとしている。

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