筑波大,レーザー照射でワイル半金属相を創成

筑波大学の研究グループは,レーザーの周波数と強度がある⼀定の範囲においては,絶縁体相が⼆種類のワイル半⾦属相に相転移することを理論的に⽰した(ニュースリリース)。

原⼦の構成要素である電⼦は,⾶び⾶びのエネルギーの値(エネルギー準位)を取る。そして,⾮常に多くの原⼦から成る結晶では,電⼦は多数のエネルギー準位が束になった帯(バンド)状のエネルギー構造を持つようになる。

その中でも,相異なるバンドが交差することによって円錐状のバンド構造が対を成して現れる結晶群をワイル半⾦属と呼ぶ。数学の位相幾何学(トポロジー)の概念を適応することにより,トポロジカル物質と呼ばれる物質群が相次いで発⾒されるようになった。

ワイル半⾦属もトポロジカル物質の⼀種であり,その物理的起源を探る基礎研究や,外部磁場によって電気抵抗が⼤きく変化する巨⼤磁気抵抗効果など特異な電気伝導性を⽣かした新機能デバイス開発などの応⽤研究が⾏なわれている。

今回では,結晶にレーザーを照射してワイル半⾦属状態を⽣成することにより⽣じる物理現象について,理論的に追及した。具体的には,強束縛近似という結晶の電⼦状態を表す模型を基に,xy⾯内に円偏光した(ピーク電場の強さが1.5 MV/cm程度の)強い連続波レーザーを,半導体である砒化亜鉛(Zn3As2)に照射した系に関して数値計算を⾏なった。

レーザーの偏光を左巻き(偏光ベクトルの時間変化が反時計回り)とし,結晶のバンドギャップとほぼ等しくなるようなレーザー周波数(共鳴周波数)を設定した。

その結果,レーザーの周波数と強度がある⼀定の範囲においては,絶縁体相が⼆種類のワイル半⾦属相に相転移することを理論的に⽰した。今回のような条件下での光照射においては,上向きと下向きスピンのうち⼀⽅のみが優先的に励起される。

例えば左円偏光で励起された電⼦は下向きスピン状態が偏極した表⾯状態を形成し,磁化を発現することを⾒出した。もう⼀⽅の上向き電⼦スピン状態では,環状のバンド交差が現れ,ワイル半⾦属というよりむしろ線ノード半⾦属といわれるトポロジカル状態が発現することが分かった。

この研究は,レーザー照射によって⾮磁性半導体表⾯に磁化を誘起する可能性を⽰したもの。研究グループは,⺟結晶を電⼦同⼠の相互作⽤が強い強相関電⼦系やさまざまなトポロジカル物質とし,同様の光制御を⾏なうことによって,さらに多様な物性を光創成することができると期待している。

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