トポロジカル物質で高い操作性を持つ光周波数変換機能を実現

March, 22, 2024, 東京/大阪--東京大学、大阪大学他の研究グループは共同で、磁化と実効的な電気分極を持つワイル半金属において、非線形光学効果の1つである第二次高調波（SHG、光の周波数を2倍に変換する現象）が極めて高い効率で発生することを示し、そのSHGの強度が光の進行方向や磁化の向きでスイッチング可能であることを実証した。

トポロジーと呼ばれる数学上の概念で記述される物質や物理現象が世界的に注目されており、ワイル半金属はその代表例。トポロジカルな性質が物質の新たな機能として活用されることが期待されているが、いまだその例は限られている。
今回、本研究グループが着目したワイル半金属PrAlGeは、実効的な電気分極を持つために、光を照射すると非線形光学効果であるSHGが生じる。実際にSHGの発生強度を測定した結果、発生効率の指標となる非線形感受率が、既知の物質と比べても極めて巨大なものであることがわかった。また、同時に発生する磁化に由来したSHGとの干渉効果により、様々な光機能性が発現することを見いだした。
例えば、磁化の向きによってSHG発生強度が変調し、光の入射方向を反転するとSHG強度のスイッチングが起きるといった現象が観測された。このような性質は将来の光スイッチングデバイスの基礎原理となるものである。
この成果は、トポロジカル物質とマルチフェロイクスが融合した物質機能の実証といえるもので、今後期待される様々な線形・非線形電磁気応答の開拓への道を開くものである。

研究成果は、2024年3月14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。

研究グループ
東京大学大学院工学系研究科の正力健太郎大学院生、岡村嘉大助教、森石奎吾大学院生、高橋陽太郎准教授らを中心とする研究グループは、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、大阪大学大学院理学研究科の村川寛助教、酒井英明准教授、花咲徳亮教授、学習院大学理学部の横井滉平助教、島根大学学術研究院理工学系の臼井秀知助教ら

（詳細は、https://www.t.u-tokyo.ac.jp）