広報活動

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2016年7月20日

理化学研究所
東京大学
東北大学

トポロジカル絶縁体の量子化磁気光学効果の観測

-省エネかつ高効率な光学素子の実現へ-

概念図

トポロジカル絶縁体における量子化偏光回転の概念図

光を波(電磁波)としてみたとき、波の振動方向が規則的なものを「偏光」といいます。振動方向が変わらずに直進する光は「直線偏光」、回転しながら進む光は「円偏光」と呼ばれます。また「磁気光学効果」とは、磁石の性質を持つ物質(磁性体)に光を当てたとき、物質を透過する光や反射する光の偏光が回転する現象で、ほとんどの磁性体において観測されます。光通信素子や光磁気ディスクは、この磁気光学効果を利用した偏光のコントロールによって、その機能を制御しています。

一方で、近年“磁石の性質を与えたトポロジカル絶縁体では、量子異常ホール効果が発生する”ことが分かりました。トポロジカル絶縁体とは、内部は絶縁体であると同時に表面では電子の質量が“実効的にはゼロ”であるという特殊な物質です。電子に質量がないためエネルギーギャップが生じず、表面の電子が金属表面のように自由に動き回ります。このトポロジカル絶縁体に磁石の性質を与えると表面の電子は質量を獲得し、エネルギーギャップを持つ絶縁体となります。このとき、トポロジカル絶縁体では磁場をかけなくても「ホール効果(電子の運動方向が電流・磁場と垂直方向に曲げられる現象)」が発生し、そのホール抵抗(電流・磁場と垂直方向の抵抗)が電気素量eとプランク定数hのみで決まる普遍的な量子状態が現れます。これを「量子異常ホール効果」といいます。

この量子異常ホール効果を示すトポロジカル絶縁体の表面に光を照射すると、偏光が回転します。これは、量子異常ホール効果の光に対する応答に対応した“量子化した磁気光学効果”で、非常に大きな偏光回転効率が少ないエネルギーで実現します。しかし、数十ミリケルビンという極低温でなければ実現しないなど、実験的な検証にはいくつか課題がありました。

今回、理研の研究者を中心とした共同研究グループは、トポロジカル絶縁体(Bi1-ySby2Te3(Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)の薄膜にクロム(Cr)を加えた試料を作製しました。この試料は従来と比べて1~2桁高い温度領域で量子異常ホール効果を示しました。この試料にテラヘルツ光(周波数が1兆ヘルツ付近にある電磁波)を照射したところ、従来の偏光回転素子で回転させたときに比べて、2桁近く高い効率で薄膜を透過したテラヘルツ光の偏光が回転しました(図参照)。トポロジカル絶縁体は、広帯域で使用可能かつ、省エネルギーで高効率なテラヘルツ帯の光学素子に応用できる可能性があります。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関量子伝導研究チーム
大学院生リサーチ・アソシエイト 岡田 健 (おかだ けん)
(東京大学大学院工学系研究科 大学院生)
チームリーダー 十倉 好紀 (とくら よしのり)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)

創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 創発分光学研究ユニット
ユニットリーダー 髙橋 陽太郎 (たかはし ようたろう)
(東京大学大学院工学系研究科 特任准教授)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関界面研究グループ
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)