テラヘルツ領域での光起電力効果を実証 次世代高速通信への応用に期待：スピン励起で高効率に光電流変換

東京大学と理化学研究所の研究グループは、磁性と強誘電性を併せ持つマルチフェロイクスのスピン励起を利用し、テラヘルツ領域での光起電力効果を実証した。次世代高速通信に向けたテラヘルツデバイスなどへの応用に期待する。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

次世代高速通信に向けたテラヘルツデバイスなどへの応用に期待

　東京大学と理化学研究所の研究グループは2024年6月、磁性と強誘電性を併せ持つマルチフェロイクスのスピン励起を利用し、テラヘルツ領域での光起電力効果を実証したと発表した。次世代高速通信に向けたテラヘルツデバイスなどへの応用に期待する。

　東京大学の研究グループはこれまで、マルチフェロイクスのスピン励起を利用すれば、電子遷移が起こらなくても光起電力効果が発現することを理論的に予測してきた。一方、理化学研究所の研究グループは、かねてより実験的にマルチフェロイクスのスピン励起の特性を研究してきた。そこで今回、両者が協力してテラヘルツ領域における光起電力効果の実証に取り組んだ。

　研究グループは今回、スピン励起の特性が確立されているマルチフェロイック材料の1つである「（Eu,Y）MnO₃」を用い、テラヘルツ光電流を測定した。この試料にテラヘルツ光パルスを照射した。そうすると、瞬時に強誘電分極とは反平行の向きに光電流が生成されるなど、光起電力効果ならではの挙動を確認できたという。

テラヘルツ光電流測定の配置図と得られた光電流の時間波形［クリックで拡大］ 出所：東京大学、理化学研究所

　観測された光電流の生成効率はスピン励起の種類によって異なるが、極めて高効率な光電流変換であることが分かった。これらの結果から、電子が存在しない絶縁状態であっても光起電力が生じることを確認した。今回構築した理論モデルで検証した結果、「観測された光起電力効果は、スピン励起により電子の波動関数が変化していることが本質的であり、量子幾何効果が重要な役割を果たしている」ことも明らかとなった。

　今回の研究は、東京大学大学院工学系研究科の荻野槙子大学院生（研究当時）や森本高裕准教授、高橋陽太郎准教授らを中心とする研究グループと、理化学研究所創発物性科学研究センターの永長直人グループディレクター、十倉好紀グループディレクターらによる研究グループが共同で行った。

マルチフェロイクスのスピン励起による光電流生成を示す模式図 出所：東京大学