阪大ら，高い操作性を持つ光周波数変換機能を実現

大阪大学，東京大学，理化学研究所，学習院大学，島根大学は，磁化と実効的な電気分極を持つワイル半金属において，非線形光学効果の1つである第二次高調波（SHG）が極めて高い効率で発生することを示し，そのSHGの強度が光の進行方向や磁化の向きでスイッチング可能であることを実証した（ニュースリリース）。

電気分極に代表される空間反転対称性の破れと磁化により生じる時間反転対称性の破れは，それぞれ強誘電体と磁性体で現れ，現代社会を支える機能性材料として利用されている。その両者の性質をあわせ持つ物質はマルチフェロイクスと呼ばれ，通常の電磁気現象とは異なるさまざまな電気磁気（ME）効果が静的電磁場や光学応答において発見されている。

一方，トポロジカルな性質によって特徴づけられるワイル半金属は，その発現条件に時間反転対称性の破れ，もしくは空間反転対称性の破れが必要だが，マルチフェロイクスのように両者の性質を併せ持つトポロジカル物質の機能についてはほとんど明らかになっていなかった。

研究グループは，磁化と実効的な電気分極により時間・空間反転対称性がともに破れたワイル半金属であるPrAlGeに着目し，非線形光学効果の観測とその機能性開拓を目指した研究を行なった。非線形光学効果の一種であるSHGは，光の周波数を2倍に変換する現象であり，身近な光デバイスでも広く利用されている。

PrAlGeに光を照射し，結晶表面で発生したSHG強度を観測したところ，極めて高い効率でSHGへの変換が起きていることが明らかになった。実際に，変換効率を示す指標である非線形感受率が，これまで観測された物質の中でも最大級の大きさであることがわかった。

また，観測されたSHGには，磁性によって誘起される成分が含まれていることを見出した。この磁性誘起SHGを非磁性のSHGと干渉させることで，SHG強度のスイッチングが可能な光機能性を実現した。実際に，磁化の符号反転によるSHG発生強度の変調や，光の進行方向の反転によりSHG強度のスイッチングが生じることを実証した。

さらに，この光機能性の起源となっている磁性誘起非線形感受率が，ME応答を示す典型的な反強磁性体であるCr₂O₃と比較しても30倍程度の極めて大きな値を示すことが明らかになった。

研究グループは，この成果は，トポロジカル物質とマルチフェロイクスが融合した物質機能の実証といえるもので，今後期待されるさまざまな線形・非線形電磁気応答の開拓への道を開くものだとしている。