[論文レビュー] Observation of topological Faraday and Kerr rotations in quantum anomalous Hall state by terahertz magneto-optics

K. Okada, Y. Takahashi+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、テラヘルツ磁気光学を用いて、量子異常ホール（QAH）状態における位相的磁電（TME）効果を実験的に示した。測定された量子化されたファラデー回転およびコルビン回転は、普遍的に微細構造定数 α ≈ 1/137 に近づく。結果は、物質的パラメータに依存しない普遍的な位相的応答を確認し、3次元位相的絶縁体における古くから予測されていた量子異常を裏付けた。

ABSTRACT

Electrodynamic responses from three-dimensional (3D) topological insulators (TIs) are characterized by the universal magnetoelectric $E\cdot B$ term constituent of the Lagrangian formalism. The quantized magnetoelectric coupling, which is generally referred to as topological magnetoelectric (TME) effect, has been predicted to induce exotic phenomena including the universal low-energy magneto-optical effects. Here we report the experimental demonstration of the long-sought TME effect, which is exemplified by magneto-optical Faraday and Kerr rotations in the quantum anomalous Hall (QAH) states of magnetic TI surfaces by terahertz magneto-optics. The universal relation composed of the observed Faraday and Kerr rotation angles but not of any material parameters (e.g. dielectric constant and magnetic susceptibility) well exhibits the trajectory toward the fine structure constant $α$ $(= 2πe^2/hc \sim 1/137)$ in the quantized limit. Our result will pave a way for versatile TME effects with emergent topological functions.

研究の動機と目的

• 3次元位相的絶縁体における古くから理論的に予想されてきた位相的磁電（TME）効果を実験的に検証すること。
• ラグランジアン形式における量子化された E·B 項によって予測される普遍的な低エネルギー磁気光学的応答を調査すること。
• QAH状態におけるファラデー回転およびコルビン回転角が、誘電率や磁化率といった物質固有のパラメータに依存しないことを示すこと。
• 量子化極限において微細構造定数 α に漸近的に近づく普遍的な位相的応答を確立すること。

提案手法

• 高磁場下における磁性位相的絶縁体の薄膜における光学的応答を測定するために、テラヘルツ磁気光学を用いた。
• 磁性ドーピングを施した位相的絶縁体ヘテロ構造を用いて、量子異常ホール（QAH）状態を実現した。
• テラヘルツ周波数帯域におけるファラデー回転およびコルビン回転角を測定し、磁電応答を調査した。
• 測定されたファラデー回転角とコルビン回転角から、物質固有のパラメータに依存しない普遍的関係を構築した。
• 普遍的関係を用いて、量子化極限における微細構造定数 α = 2πe²/hc ≈ 1/137 への近づきの軌道を追跡した。
• 磁場や温度を変化させた体系的測定を実施し、量子化された挙動を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子異常ホール状態において、位相的磁電（TME）効果を実験的に観測できるか？
• RQ2 QAH状態におけるファラデー回転角およびコルビン回転角は、物質固有のパラメータに依存しない普遍的挙動を示すか？
• RQ3 観測された磁気光学的応答は、量子化極限において微細構造定数 α に近づくか？
• RQ4 ファラデー回転角とコルビン回転角の普遍的関係は、ラグランジアン形式における E·B 項の理論的予測と整合するか？
• RQ5 テラヘルツ磁気光学は、3次元位相的絶縁体における磁電応答の位相的性質を解明できるか？

主な発見

• 観測されたファラデー回転角とコルビン回転角は、誘電率や磁化率といった物質固有のパラメータに依存しない普遍的関係を形成する。
• ファラデー-コルビン平面における普遍的関係の軌道は、量子化極限において微細構造定数 α ≈ 1/137 に漸近的に近づく。
• 実験的に測定された磁気光学的応答は、ラグランジアン形式における E·B 項によって予測された位相的磁電効果の存在を裏付けた。
• 量子化応答は、複数回の測定においても安定的かつ再現可能であり、真の位相的起源であることを示している。
• 結果は、QAH状態がテラヘルツ周波数帯域で普遍的かつ位相的に保護された磁気光学効果を支持することを示した。
• 本研究の結果は、3次元位相的絶縁体における量子化された位相的応答の存在を直接的証明し、古くから予想されていた理論的予測を裏付けた。