テラヘルツ光を電流へ変換する新原理の発見

April, 6, 2022, 東京--東京大学大学院工学系研究科の岡村嘉大助教、森本高裕准教授、高橋陽太郎准教授、永長直人教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らを中心とする研究グループは、強誘電体として最もよく知られているBaTiO3（チタン酸バリウム）において、テラヘルツ帯での光起電力効果の実証を行った。テラヘルツ帯は将来の通信などへの応用が期待される帯域ではあるものの、光検出などの基盤技術は発展途上である。強誘電体には、テラヘルツ光と強く相互作用するフォノンの共鳴が存在することが知られている。
　研究では、テラヘルツ光照射によるフォノン生成から生じる光電流の観測に成功した。この現象は、一般的には電子遷移が不可欠と考えらえてきた光起電力効果の概念を覆すもので、可視光の千分の一程度の光のエネルギーで発電が可能であることが示された。さらに、理論モデルを構築し第一原理計算を行うことで、今回観測した光起電力効果において量子力学的な位相効果が重要な役割を果たしていることを見出した。

　今回得られた成果は、固体中に存在するさまざまな励起状態が一般的に光起電力効果を示すことを示唆している。これにより今まで実現が難しいと考えられていたあらゆる帯域の光起電力効果の実現と、それを利用した新しい光デバイスの開発へとつながっていくことが期待される。

光起電力効果とは光照射することで物質中に電流・電圧が生じる効果であり、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。例えば一般的に普及している太陽光発電ではp-n接合を利用したデバイスを用いることで光起電力効果を実現している。自発的に電気分極を持つ強誘電体において生じる「バルク光起電力効果」が光起電力効果の新たな原理として注目され、盛んに研究されるようになってきた。しかし、既存の光起電力効果のほとんどは、半導体や絶縁体の電子遷移を介するために原理的に可視光などの高いエネルギー領域に限られる。このため、低エネルギーの光に対する光起電力効果は困難であると考えられてきた。

研究成果は、2022年3月28日（米国東部夏時間）に米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」のオンライン版に掲載された。

(詳細は､https://www.t.u-tokyo.ac.jp)