テラヘルツ波発生を利用した電気磁気ドメインの可視化と光による超高速ドメイン制御

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今年度は、極性半導体BiTeBrを対象としたフェムト秒レーザー励起テラヘルツ電磁波発生の実験を行った。BiTeBrは室温で空間群P3m1に属し、極性軸であるc軸方向に各元素が積層する層状構造を成す。極性による反転対称性の破れと、各構成元素の持つ巨大なスピン相互作用に起因して、バンド構造に巨大なラシュバ型のスピン分裂が生る。バンドギャップ0.5 eV以上の光子エネルギーを有する円偏光の光を照射すると、円偏光のヘリシティに対応して一方のスピンを有する電子のみが選択的に励起される。このとき、スピン分裂していることに起因して、有限の運動量を有する電子が励起されるため、結果としてスピン偏極した電流が生じることが報告されている。このスピン偏極電流からのテラヘルツ電磁波発生検出を目的として実験を行った。励起にはTi:sapphireレーザー（中心光子エネルギー1.55 eV、パルス幅130 fs、繰り返し周波数1 kHz)から出た光を、光パラメトリック増幅器(OPA)によって波長可変としたものを用いた。さらに、波長板によってレーザーの偏光を円偏光として試料に照射した。その結果、円偏光のヘリシティを反転させると、位相が反転するテラヘルツ電磁波の発生を見出した。テラヘルツ電磁波発生の波長板の角度依存性や励起光子エネルギー依存性の測定結果を考慮することで、テラヘルツ電磁波発生の起源は円偏光フェムト秒レーザー励起によるスピン偏極電流の変調であることを明らかにした。本結果は、外部電場なしで位相を制御するテラヘルツ電磁波発生の応用に貢献する成果である。本研究成果は日本物理学会年次大会において、口頭発表を行った。さらに、Physical Review B誌のRapid Communicationに出版されている。