半導体における電場誘起スピン電流とベリー位相

半导体中电场感应自旋电流和贝里相

基本信息

批准号：
16740167
负责人：
村上修一
金额：
$ 1.98万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

今年，我们的研究重点是利用电场感应自旋电流的效应（自旋霍尔效应），特别关注量子自旋霍尔相。量子自旋霍尔相是一种拓扑序，虽然它是非磁性绝缘体，但它具有非平凡的拓扑数和对抗杂质的稳定表面态。尽管理论上已经提出了这样一个相，但仍然没有可以在实验上与之联系的系统，因此我们寻找可能作为其候选的材料。正如首席研究员去年发现的那样，绝缘体中的自旋霍尔效应与磁化率有关，因此对于抗磁化率较大的铋，我们在薄膜情况下进行了拓扑数计算和能带计算，他提出：在维度系统中，它成为量子自旋霍尔相。通过将三维表面态与实验进行比较，我们从理论上提出准金属铋、锑及其合金是量子自旋霍尔相的候选者。我们已向实验研究人员和第一性原理研究人员提出了这一结果，并正在进行实验验证研究。结合上述，我们还进行了电荷泵的研究。尽管反常霍尔效应、自旋霍尔效应和电荷泵乍一看似乎完全不同，但理论框架（贝里相物理）是相似的，并且可以使用相似的方法。特别是，今年我们证明，对于具有许多杂质的一维系统，贝里相引起的拓扑效应会强烈影响电荷泵（即使存在杂质）。研究人员去年也预测了类似的光现象。今年，我们开发了光的贝里相物理的精确公式，并计算了介质界面和光子晶体内的光线位移。我们还发现了一个例子，其中贝里相效应对于 X 射线变得很重要。这是因为当 X 射线波包穿过应变晶体时，波包的位移比应变量大几个数量级，最近已经通过实验观察到了这一点。