ディラック・ワイル電子系における高速な光電流・スピン流の観測および制御

本研究の一つの柱として、3次元ディラック電子系の代表例であるビスマスの薄膜試料に円偏光パルスを照射した際に生じるスピン流の起源について解明することが挙げられる。一昨年度及び昨年度はビスマス薄膜に中赤外の円偏光パルス(ポンプ光)を照射し、光励起された状態をテラヘルツパルス(プローブ光)の偏光回転を通して観測するという、いわゆるポンプ・プローブ測定を行うための実験系の構築、データの取得に取り組んだ。実験の結果、励起パルスのヘリシティに依存するような偏光回転が励起パルス照射下においてのみ観測された。これは円偏光が時間反転対称性を破る性質を持つことに由来する応答であり、冒頭に述べたスピン応答とも関連していていると考えられる実験結果である。プローブ光の偏光回転はテラヘルツ帯における異常ホール効果に対応する現象だが、異常ホール効果の度合い(異常ホール伝導度)が励起光強度ではなく励起光電場強度(すなわち励起強度のルート)に比例するような強度依存性を見せた点も極めて興味深い。特殊な強度依存性と理論計算との比較によって中赤外光がディラック電子を共鳴的に駆動していることに由来する性質ではないかと考えられたが、その性質についてはまだ明らかになっていない部分が多かった。そこで本年度は昨年度身に着けた数値計算を含む理論計算の手法を駆使し、理論物理の共同研究者と共同し円偏光とディラック電子の共鳴的な結合について考察を進めた。その結果、ワイル点のようなトポロジカルに非自明なノードが共鳴点付近においても現れ、そのトポロジカルチャージは通常のワイル点の2倍である、「フロッケ二重ワイル状態」ともいうべき状態が理論的には実現しうることが明らかになった。さらに円偏光を楕円偏光にしたりディラック電子に異方性を導入した場合の二重ワイル点の振る舞いについても理解を押し進めた。

本研究の一つの柱として、3次元ディラック電子系の代表例であるビスマスの薄膜試料に円偏光パルスを照射した際に生じるスピン流の起源について解明することが挙げられる。一昨年度及び昨年度はビスマス薄膜に中赤外の円偏光パルス(ポンプ光)を照射し、光励起された状態をテラヘルツパルス(プローブ光)の偏光回転を通して観測するという、いわゆるポンプ・プローブ測定を行うための実験系の構築、データの取得に取り組んだ。実験の結果、励起パルスのヘリシティに依存するような偏光回転が励起パルス照射下においてのみ観測された。これは円偏光が時間反転対称性を破る性質を持つことに由来する応答であり、冒頭に述べたスピン応答とも関連していていると考えられる実験結果である。プローブ光の偏光回転はテラヘルツ帯における異常ホール効果に対応する現象だが、異常ホール効果の度合い(異常ホール伝導度)が励起光強度ではなく励起光電場強度(すなわち励起強度のルート)に比例するような強度依存性を見せた点も極めて興味深い。特殊な強度依存性と理論計算との比較によって中赤外光がディラック電子を共鳴的に駆動していることに由来する性質ではないかと考えられたが、その性質についてはまだ明らかになっていない部分が多かった。そこで本年度は昨年度身に着けた数値計算を含む理論計算の手法を駆使し、理論物理の共同研究者と共同し円偏光とディラック電子の共鳴的な結合について考察を進めた。その結果、ワイル点のようなトポロジカルに非自明なノードが共鳴点付近においても現れ、そのトポロジカルチャージは通常のワイル点の2倍である、「フロッケ二重ワイル状態」ともいうべき状態が理論的には実現しうることが明らかになった。さらに円偏光を楕円偏光にしたりディラック電子に異方性を導入した場合の二重ワイル点の振る舞いについても理解を押し進めた。