トポロジカル絶縁体に光照射でスピン電流生成：光の偏光操作で方向も制御可能

大阪府立大学と情報通信研究機構（NICT）らの研究グループは、トポロジカル絶縁体薄膜に光を照射するだけで、スピン電流を生成させることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

サファイア基板上にBi₂Te₃の結晶軸をそろえた薄膜を作製

　大阪府立大学大学院理学系研究科の竹野広晃氏と溝口幸司教授および、情報通信研究機構（NICT）の齋藤伸吾主任研究員らによる研究グループは2018年10月、トポロジカル絶縁体薄膜に光を照射するだけで、スピン電流を生成させることに成功したと発表した。照射する光の偏光を操作すると、スピン電流の方向を制御できることも分かった。

　研究グループは今回、サファイア基板上にトポロジカル絶縁体の一種であるBi₂Te₃を成膜させた試料を作製した。この薄膜は膜厚が約25nmで、Bi₂Te₃の結晶軸をそろえた。

　作製したトポロジカル絶縁体薄膜に、直線偏光（p）、右回り円偏光（R）、左回り円偏光（L）の光（波長800nm）を照射した。その上で、表面の光電流によって放射されるテラヘルツ波を検出した。

ポロジカル絶縁体薄膜に右回り円偏光（R偏光）および、左回り円偏光（L偏光）の光を照射したときに表面を流れるスピン電流の模式図 出典：大阪府立大学、NICT

　3タイプの偏光でテラヘルツ波を観測したところ、全てにおいて電場や磁場などの外場がなくても、光電流が試料の表面を流れていることを確認した。また、光の偏光によってその向きが変化していることも分かった。テラヘルツ波の方向に対する光電流の向きは、照射光がp偏光のときに光電流の方向はy軸に沿う。RやL偏光の場合は、そこから±45度方向に傾いていることが分かった。これらの結果から、照射光を偏光させるだけで、試料表面を流れる光電流の方向を選択的に制御できることを実証したことになる。

p偏光、R偏光、L偏光を照射したときの、試料から放射されたテラヘルツ波の時空間変化を3次元プロットした例 （クリックで拡大） 出典：大阪府立大学、NICT

照射光を任意の楕円偏光にした場合の光電流を検証した例 出典：大阪府立大学、NICT

　研究グループは、照射光を任意の楕円偏光にした場合の光電流についても検証した。照射光側に挿入した光学素子「λ/4板（QWP）」を回転させ、照射角の偏光の楕円率を変えて、x方向のテラヘルツ波を測定した。照射角の偏光はQWPの回転角が0度と90度、180度でp偏光、45度でR偏光、135度でL偏光となる。それ以外の角度では楕円偏光になるという。測定結果から、照射光の偏光の楕円率を細かく変化させることで、光電流の大きさや向きを精密かつ選択的に制御できることが分かった。

　試料表面を流れる光電流のスピン偏極についても調査した。テラヘルツ波と同様に、照射光の偏光の楕円率を変化させ、光電流のy方向のスピン偏極を測定した。この結果、スピン偏極の大きさや向きは、テラヘルツ波（光電流の大きさ）と同様の振る舞いをすることが分かった。このことは、光電流がスピン偏極していることを示すもので、照射光の偏光により光電流とスピン偏極の方向が変化するためだという。

　研究グループによれば、「光電流の緩和時間は数十フェムト秒と極めて短く、高速応答を示す。今回の成果はトポロジカル絶縁体を用いた次世代のオプトエレクトロニクスデバイスやスピントロニクスデバイスの発展に重要な役割を果たす」とみている。