Physics of transport phenomena using light-induced symmetry breaking

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今年度の最も重要な研究成果は、円偏光のヘリシティを利用することでスピン流と電流を見分けられることを発見したことです（Arakawa et al., Comms. Phys. 6, 43 (2023)）。本研究課題では、光による対称性の破れを利用する輸送現象の物理の開拓を目指しています。今年度は、励起光として円偏光をあてた多軌道金属のスピンホール効果と異常ホール効果の理論を構築し、スピンホール効果で生成するスピン流と異常ホール効果で生成する電流を、円偏光のヘリシティ依存性で区別できることを提案しました。また、この性質は、時間反転対称性に由来する、普遍性の高い性質であることも解明しました。ここで、円偏光のヘリシティは円偏光の回る向きの自由度で、左回り円偏光と右回り円偏光があります。本研究では、多軌道金属としてSr_2RuO_4を対象とし、円偏光をあてた場合のスピンホール効果と異常ホール効果の理論をFloquet理論と線形応答理論を組み合わせた手法で構築しました。そして、それらの輸送現象の輸送係数（スピンホール伝導度と異常ホール伝導度）を数値計算で調べることにより、ヘリシティを左回りから右回りに変えた場合、スピン流の向きは不変に保たれるのに対し、電流の向きは反転することを見出しました。また、このヘリシティ依存性は光の振動数や振幅を変えても成立することも示しました。ここで、時間反転をすると、スピン流の向きは変わらず、電流の向きが逆になります。また、時間反転で円偏光のヘリシティが左回りから右回り（もしくはその逆）に変わります。それらの性質を組み合わせることにより、上述のスピン流と電流のヘリシティ依存性の違いがそれらの流れの時間反転対称性の違いに由来していることを特定しました。