[論文レビュー] Giant inverse Faraday effect in Dirac semimetals

Masashi Kawaguchi, Hana Hirose+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ビスマスを基にしたディラック半金属において、円偏光光が通常の金属よりも数個オーダーも大きな有効磁場を誘発する巨大な逆ファラデー効果（IFE）を示した。この効果は、強いスピンオービット結合を示すディラックフェルミオンにおける小さな電子有効質量と大きなg因子の組み合わせに起因し、効率的な光-スピン結合を可能にし、ヘリシティ依存光電流（HDP）として検出可能なスピン電流を生成する。このHDPはディラック点でピークを示す。

ABSTRACT

We have studied helicity dependent photocurrent (HDP) in Bi-based Dirac semimetal thin films. HDP increases with film thickness before it saturates, changes its sign when the majority carrier type is changed from electrons to holes and takes a sharp peak when the Fermi level lies near the charge neutrality point. These results suggest that irradiation of circularly polarized light to Dirac semimetals induces an effective magnetic field that aligns the carrier spin along the light spin angular momentum and generates a spin current along the film normal. The effective magnetic field is estimated to be orders of magnitude larger than that caused by the inverse Faraday effect (IFE) in typical transition metals. We consider the small effective mass and the large $g$-factor, characteristics of Dirac semimetals with strong spin orbit coupling, are responsible for the giant IFE, opening pathways to develop systems with strong light-spin coupling.

研究の動機と目的

• 強いスピンオービット結合を示すディラック半金属における光誘発スピン電流の研究。
• Biベースの薄膜における通常の金属と比較して強化された逆ファラデー効果（IFE）の起源の特定。
• ヘリシティ依存光電流（HDP）と有効磁場、キャリア種別（電子／ホール）との相関関係の特定。
• ディラック点およびフェルミ準位の位置がIFE応答を最大化する役割を特定。
• 材料パラメータ（有効質量、g因子）と誘導された有効磁場の大きさとの関係の確立。

提案手法

• 405 nmの円偏光光を用いて、Biベースのディラック半金属薄膜におけるヘリオセントリック光電流（HDP）測定を実施。光強度とヘリシティを変化させた。
• 実験装置では、光のヘリシティを制御するためのラムダ/4波プレートを用い、入射角を約45°に固定し、方位角を変化させてさまざまな偏光状態を測定。
• HDPは、逆スピンホール効果（ISHE）と有効磁場項 h_eff g_eff を含む理論モデルにフィットした。
• 理論的計算では、主要キャリアに対してはスピンホール電導度（σ_SH）を一定と仮定し、少数キャリアに対してはキャリア密度に比例してスケーリングした。g_eff と h_eff はキャリア密度の関数としてモデル化された。
• h_eff g_eff のピークはディラック点に一致させ、幅Δはディラック点とフェルミ準位のエネルギー差に一致させた。
• 光強度および波長依存性を分析し、HDPのパワーおよび波長依存性を評価。内在的応答を分離するために正規化処理を施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円偏光光によって誘発される有効磁場の大きさはどの程度であり、通常の金属と比較してどう異なるか？
• RQ2 ヘリシティ依存光電流（HDP）は薄膜の厚さ、キャリア種別、フェルミ準位の位置にどのように依存するか？
• RQ3 ディラックフェルミオンの小さな有効質量と大きなg因子が逆ファラデー効果を強化する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ4 なぜHDPは電荷中性点で鋭いピークを示すのか？これはスピン構造および光-スピン結合に何を示唆するか？
• RQ5 これらの材料におけるIFEの強度は、光の波長および強度にどのように依存するか？

主な発見

• ヘリシティ依存光電流（HDP）は薄膜の厚さに応じて増加し、約70 nmで飽和する。これはスピン電流に体積寄与があることを示唆する。
• 主なキャリア種別が電子からホールに変わるとHDPの符号が反転する。これは電流がスピン極化していることを確認する。
• フェルミ準位が電荷中性点に近づくとHDPに鋭いピークが現れ、これはディラック点と一致する。
• 有効磁場 h_eff は、ディラック半金属における大きな g_eff と小さな有効質量のおかげで、通常の遷移金属と比較して1〜2桁大きな値に推定される。
• 理論的モデリングにより、h_eff g_eff はディラック点でピークを示し、その幅Δはディラック点とフェルミ準位のエネルギー差と一致する。
• 正規化されたHDP（C/P）は波長が長くなるに従って増加する傾向を示し、長波長域で強化の可能性を示唆するが、実験範囲内に制限される。