東大ら，高速スピン応答でテラヘルツ光を電流変換

東京大学と理化学研究所は，磁性と強誘電性を持つマルチフェロイクスのスピン励起に注目することで，テラヘルツ領域での光起電力効果の実証を行なった（ニュースリリース）。

テラヘルツ光は発生から検出まで多くの技術に課題を残しており，可視光領域で確立されているような高速かつ高効率な光検出へつながる技術の確立が喫緊の課題となっている。

一般に可視光領域の光検出では，光照射により物質中に電流・電圧が生じる光起電力効果が広く使われている。しかしながら，この現象では電子励起を介する必要があるため，可視光の千分の一程度のエネルギーしか持たないテラヘルツ光への適用は困難だった。

この問題に対し研究グループは，強誘電性と磁性が共存するマルチフェロイクスという物質群でスピンが高速に集団運動するスピン励起を利用すれば，電子遷移を介さずとも光起電力効果が発現することを理論的に予測した。

一方で，かねてより実験的にマルチフェロイクスのスピン励起の特性を研究しており，今回初めてテラヘルツ領域の光起電力効果の実現に成功した。

研究では，マルチフェロイック材料の中でも，スピン励起の特性が確立されている（Eu，Y）MnO₃を用いて、テラヘルツ光電流測定を行なった。この物質では，スピンの向きが特定の方向にむけて回転していくような「らせん磁気構造」が発現するとともに，強誘電分極が現れる。

テラヘルツ光パルスを試料に照射すると，瞬時に強誘電分極の向きに反平行に光電流が生成されるという光起電力効果に特徴的な挙動が観測された。

観測された光電流の生成効率は，強誘電状態でいくつか存在するスピン励起の種類によって変わり，また性能指数としても電子遷移によるものと遜色ない，極めて高効率な光電流変換であることがわかった。

一般的なフォトニクスやエレクトロニクスでは自由に動き回る電子が不可欠だが，今回の結果はそのような電子の存在しない絶縁状態が保たれたままでも光起電力が生じるという新奇な現象が存在することを意味している。

今回，より実際の物質に即した理論モデルを構築することで，これらの特徴を説明することに成功した。この理論モデルから，観測された光起電力効果はスピン励起により電子の波動関数が変化していることが本質的であり，量子幾何効果が重要な役割を果たしていることが明らかになった。

研究グループは，マルチフェロイクス中のスピンが持つこのユニークなテラヘルツ光機能は，高速通信やさまざまなセンシング技術への利用が期待されているテラヘルツ帯の高機能デバイス開発につながることが期待できるとしている。