東大,円偏光照射下のディラック半金属を計測

東京大学の研究グループは,円偏光を照射したディラック半金属Cd3As2に発現する異常ホール効果の起源を解明した(ニュースリリース)。

ディラック半金属は電子が質量を持たない相対論的粒子として振る舞う物質であり,通常の金属とは波動関数のトポロジーが異なることに起因してさまざまな面白い性質を示すことに注目が集まっている。

時間変化する外場の影響を解析するフロッケ・エンジニアリングの研究からは,ディラック半金属を円偏光下に置くと,波動関数のトポロジーが変化してフロッケ・ワイル半金属と呼ばれる状態になり,磁場なしで電流の軌道が曲がる異常ホール効果を発現することが予想されていた。

しかし円偏光下で異常ホール効果を引き起こすメカニズムはほかにも多数存在し,実際にどれが支配的な寄与を与えるのかは分かっていなかった。

研究グループは,代表的なディラック半金属であるCd3As2を対象に,パルス円偏光を照射した際の異常ホール伝導度をテラヘルツ時間領域分光によって計測した。

その結果,従来予想されていたフロッケ・ワイル半金属の寄与ではなく,バイアス電圧の下で光電流が発生する「電場誘起インジェクション電流」という現象の寄与が支配的になることを明らかにした。

この現象は光を吸収する物質では普遍的に起こりえるが,これまでは異なる物質系で散発的に提案されるに留まっていたものであり,精密な実験と理論を組み合わせてはっきりと実証したのはこの研究が最初と考えられるという。

異常ホール効果の形でフロッケ・ワイル半金属を観測するには,光吸収を抑制できる系や実験条件を用意しなければならないことが示唆される。

以上の知見は,光子エネルギーの低い光(波長9μm)を用いて質量のない電子のみが励起される簡単な状況を作り,かつテラヘルツ時間領域分光の時間分解能を生かして光励起キャリアの寄与を時間的に分離することによって得られたもの。

またその過程で,従来あまり顧みられてこなかった異常ホール伝導度の符号が起源を特定するための重要な手がかりになることも見出した。この手法は,複雑な過程が競合する光誘起異常ホール効果という現象を,さまざまな物質系で解き明かしていくための一般的処方箋となることが期待されるとしている。

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