府大,トポロジカル絶縁体中のスピン電流を光制御

大阪府立大学と情報通信研究機構は,トポロジカル絶縁体薄膜に,電場や磁場をかけずに,光を照射するだけで,スピン電流(スピン偏極した光電流)を生成させることに成功した(ニュースリリース)。さらに,照射する光の偏光を操作することで,スピン電流の方向が制御可能であることを実証した。

近年,新たな物質であるトポロジカル絶縁体が注目を集めている。トポロジカル絶縁体の結晶内部は絶縁的な特性を持つ一方で,その表面は金属的な伝導状態を示す。表面に存在する電子はスピン偏極しており,その偏極方向は電子の運動方向に対して常に垂直な方向を保つ。

このような特性から,トポロジカル絶縁体に光を照射することにより光電流が生じ,その光電流はスピン偏極していると予想されている。さらに,照射光の偏光を操作することにより,スピン電流(スピン偏極した光電流)の方向を制御できると考えられる。

しかし,電流を検出するために電極を付けたトポロジカル絶縁体の単結晶に光を照射すると,結晶内部では,照射光によって生じる電極間の熱に起因した電流や,結晶の対称性や結晶軸によって変化する電流が支配的に生じるため,これまではスピン電流を精密に制御することは困難とされてきた。

今回研究グループは,電極を付けていないトポロジカル絶縁体薄膜を作製することにより,試料内部の電流を抑制しつつ,試料表面のスピン電流の制御を試みた。

具体的にはサファイア基板の上に,トポロジカル絶縁体の一種である Bi2Te3を成膜させることで,Bi2Te3の結晶軸を揃えた薄膜(膜厚:約25nm)を作製した。このBi2Te3薄膜の試料に,直線偏光,右回り円偏光,左回り円偏光の光(波長:800nm)を照射し,表面の光電流によって放射されるテラヘルツ波を検出した。これは,外場なしに光電流が試料表面を流れていることを意味する。また,照射光の偏光のみで光電流の方向を選択的に制御することもできた。

次に照射光の偏光が直線偏光や円偏光ではなく任意の楕円偏光では光電流はどうなるかを調べるために,照射光側に挿入したλ/4板(QWP)を回転させ,照射光の偏光の楕円率を変えることで,x方向のテラヘルツ波を測定したところ,照射光の偏光の楕円率を細かく変化させることにより,光電流の大きさや向きを精密かつ選択的に制御できることがわかった。

最後に,磁気光学カー回転を測定することにより,試料表面を流れる光電流のスピン偏極についても調べ,照射光の偏光によって光電流とスピン偏極の方向が変化することを確かめた。

研究グループは今回の研究により,次世代のトポロジカル絶縁体を用いたオプトエレクトロニクスデバイスやスピントロニクスデバイスの向上に重要な役割を果たすことができるとしている。

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