ポイント
- 金属と絶縁体の中間の性質を持つ半金属に、ある周波数の赤外光を照射すると、その周波数の前後で強い光の吸収と増幅が生じるようになり、屈折率が周波数に対して急峻に変化する巨大屈折率分散が起こることを発見した。
- この巨大屈折率分散は誘導レイリー散乱と呼ばれる非線形光学効果の一種であり、電子の集団によるプラズマ振動がこの効果を著しく増大させていることを、精密な分光実験と理論計算によって明らかにした。
- 本発見は、金属的な物質を使った室温での無散逸スローライト（遅い光）生成など新技術への応用が期待される。
東京大学 物性研究所（所長：森 初果）の室谷 悠太 特任研究員、神田 夏輝 助教および松永 隆佑 准教授らの研究グループは、同研究所の池田 達彦 助教、吉信 淳 教授および小林 洋平 教授ら、および米国の研究グループと協力して、半金属に赤外光を照射すると光学的性質が劇的に変化して巨大な屈折率分散が生じることを発見し、そのメカニズムを解明しました。
固体材料は自由に動き回る電子の有無によって金属と絶縁体に大別することができ、それぞれ全く違った光応答を示します。しかし、金属と絶縁体の中間のような性質を持つ半金属の場合には、金属的な応答と絶縁体的な応答の両方が起こって互いに影響を及ぼすため、強い光を当てたときに何が起こるかはよく理解されていません。本研究では、物性研究所で開発された精密な分光技術を駆使して、近年トポロジカル半金属と呼ばれて注目されているヒ化カドミウムに一定の周波数を持つ強い赤外光を照射し、光応答の変化を詳細に調べました。
その結果、赤外光の周波数よりわずかに低周波側では光吸収が著しく増大する一方、わずかに高周波側では逆に吸収が減少してむしろ光が増幅されることを発見しました。このとき屈折率が周波数に対して非常に急峻に変化するという、巨大な屈折率分散を示すことも分かりました。詳細な理論計算と比較することで、この特異な現象は、誘導レイリー散乱と呼ばれる非線形光学効果が自由電子のプラズマ振動の影響を受けて増大したものであることを明らかにしました。このように巨大な屈折率分散を持つ物質を使うと、スローライト（遅い光）を生成できることが知られており、光情報処理における応用が期待されています。従来のスローライト生成技術に関する類似の研究では、光吸収が起こりにくい絶縁性物質を極低温まで冷却する例がよく知られていますが、本研究では、散逸が起こりやすい金属的な物質を使って、室温で無散逸スローライト生成を可能にする道筋を示しました。今後このような半金属の非線形性を通してさらなる新規機能性が開拓されることが期待されます。
本研究成果は国際科学雑誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」の２０２２年１１月１０日付け（米国東部時間）オンライン版に公開されました。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業さきがけ「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究領域（研究総括：村上 修一）における研究課題「トポロジカル半金属を用いたテラヘルツ高速エレクトロニクス・スピントロニクス素子開拓」課題番号ＪＰＭＪＰＲ２０ＬＡ（研究者：松永 隆佑）、さきがけ「革新的光科学技術を駆使した最先端科学の創出」研究領域（研究総括：田中 耕一郎）における研究課題「ベクトル波形制御された高強度高周波テラヘルツパルスによる物質制御」課題番号ＪＰＭＪＰＲ２００６（研究者：神田 夏輝）、ＣＲＥＳＴ「新たな生産プロセス構築のための電子やイオン等の能動的制御による革新的反応技術の創出」研究領域（研究総括：柳 日馨）における研究課題「時空間で精密制御した輻射場による表面反応プロセス」課題番号ＪＰＭＪＣＲ２０Ｒ４（研究者：吉信 淳）、並びに文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究（Ｂ）における研究課題「モノサイクル高強度テラヘルツ磁場発生技術開拓とワイル磁性制御」課題番号１９Ｈ０１８１７（研究代表者：松永 隆佑）、若手研究における研究課題「テラヘルツ分光によるワイル反強磁性体の電磁応答の解明と高速制御」課題番号２０Ｊ０１４２２（研究代表者：松田 拓也）、基盤研究（Ａ）における研究課題「位相制御したテラヘルツバルスによるレアイベント表面プロセスの駆動」課題番号２０Ｈ００３４３（研究代表者：吉信 淳）、若手研究における研究課題「散逸と駆動の下にある量子多体系の理論的記述と応用」課題番号２１Ｋ１３８５２（研究代表者：池田 達彦）の一環として行われました。また文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Ｑ－ＬＥＡＰ）における研究課題「次世代アト秒レーザー光源と先端計測技術の開発（ＡＴＴＯ）」課題番号ＪＰＭＸＳ０１１８０６８６８１において開発された光源技術が一部使われました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（４８４ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Stimulated Rayleigh Scattering Enhanced by a Longitudinal Plasma Mode in a Periodically Driven Dirac Semimetal Cd3As2”
- ＤＯＩ：10.1103/PhysRevLett.129.207402
＜お問い合わせ先＞
-
＜研究に関すること＞
室谷 悠太（ムロタニ ユウタ）
東京大学 物性研究所附属極限コヒーレント光科学研究センター 特任研究員
Tel：04-7136-3377
E-mail：murotani
issp.u-tokyo.ac.jp神田 夏輝（カンダ ナツキ）
東京大学 物性研究所附属極限コヒーレント光科学研究センター 助教
Tel：04-7136-3377
E-mail：n-kandaissp.u-tokyo.ac.jp松永 隆佑（マツナガ リュウスケ）
東京大学 物性研究所附属極限コヒーレント光科学研究センター 准教授
Tel：04-7136-3375
E-mail：matsunagaissp.u-tokyo.ac.jp -
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
Tel：03-3512-3526 Fax：03-3222-2066
E-mail：prestojst.go.jp -
＜報道担当＞
東京大学 物性研究所 広報室
Tel：04-7136-3207
E-mail：pressissp.u-tokyo.ac.jp科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：jstkohojst.go.jp