東北大ら，テラヘルツで量子物質の巨大分極を誘発

東北大学，東京科学大学，岡山大学は，電子強誘電体と呼ばれる量子物質の一種にテラヘルツ波を照射することで，バルク強誘電体としては過去最大の極めて大きな分極の変化を示すことを発見した（ニュースリリース）。

強誘電体はメモリや光変調器などのエレクトロニクスに欠かせない材料。昨今のデジタルトランスフォーメーション（DX）と呼ばれる情報の活用方法の変革は，電気素子のテラヘルツ以上の超高速動作を至近の課題としている。

ところが従来の強誘電体は，結晶内で重いイオンや分子を動かす必要があり，高速動作の妨げとなっていた。また，この機構にはエネルギー消費や結晶劣化を招くという問題もある。

今回，研究グループは，無機物質である遷移金属酸化物の電子強誘電体である，ルテチウム鉄酸化物 LuFe₂O₄に注目。テラヘルツ電磁波を照射したところ，強誘電分極が極めて敏感に変化し，バルク強誘電体として過去最大の変化量を示すことを発見した。また，この特性が，多数の電子の協力効果によって生じていることを明らかにした。

実験では，分極の大きさや方向の変化を調べるために，テラヘルツ波の照射下において，光第二高調波発生（SHG）を測定した。テラヘルツ波を照射していないとき，グラフの形状は結晶対称性を反映して四つ葉型だったが，テラヘルツ波照射後わずか1ピコ秒未満で全く異なる形に変化した。これは分極が傾いたことを意味している。

特定の角度で観測されるSHG発生強度の増加率は最大で170%と，バルク強誘電体として最大の値を示した。これまでの最大は，同程度の条件で約80%だった。LuFe₂O₄が極めて敏感な特性を持つことが解った。

このような分極応答の敏感性の理由を調べるために，角度分布を非線形感受率テンソル解析という手法によって調べ，分極の傾きがどのようなダイナミクスを示すのかを明らかにした。

0.2ピコ秒近傍では，電場に対する感度が低いのに対し，1ピコ秒付近では逆に，感度が高い大きいことが分かった。テンソル成分の大きさは通常，物質に固有の量であり時間変化しないが，LuFe₂O₄では，感度が1ピコ秒未満で約1桁増大していることが解った。

このことは，テンソル成分の変化に寄与する分極の総量が増えたことを意味する。テラヘルツ波の照射をきっかけに，結晶内に点在していた微視的な分極ドメインが「右へならえ」とチームプレーのように整列し，巨大に成長したと考えられるという。

研究グループは，こうした高効率，超高速な応答性は，新規な光エレクトロニクスデバイスの原理として応用が期待できるとしている。