Physics of transport phenomena using light-induced symmetry breaking

使用光诱导对称性破缺的传输现象物理学

基本信息

批准号：
22K03532
负责人：
荒川直也
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Chuo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03532/
关键词：
輸送現象対称性の破れ光電場金属 Mott絶縁体

项目摘要

今年度の最も重要な研究成果は、円偏光のヘリシティを利用することでスピン流と電流を見分けられることを発見したことです（Arakawa et al., Comms. Phys. 6, 43 (2023)）。本研究課題では、光による対称性の破れを利用する輸送現象の物理の開拓を目指しています。今年度は、励起光として円偏光をあてた多軌道金属のスピンホール効果と異常ホール効果の理論を構築し、スピンホール効果で生成するスピン流と異常ホール効果で生成する電流を、円偏光のヘリシティ依存性で区別できることを提案しました。また、この性質は、時間反転対称性に由来する、普遍性の高い性質であることも解明しました。ここで、円偏光のヘリシティは円偏光の回る向きの自由度で、左回り円偏光と右回り円偏光があります。本研究では、多軌道金属としてSr_2RuO_4を対象とし、円偏光をあてた場合のスピンホール効果と異常ホール効果の理論をFloquet理論と線形応答理論を組み合わせた手法で構築しました。そして、それらの輸送現象の輸送係数（スピンホール伝導度と異常ホール伝導度）を数値計算で調べることにより、ヘリシティを左回りから右回りに変えた場合、スピン流の向きは不変に保たれるのに対し、電流の向きは反転することを見出しました。また、このヘリシティ依存性は光の振動数や振幅を変えても成立することも示しました。ここで、時間反転をすると、スピン流の向きは変わらず、電流の向きが逆になります。また、時間反転で円偏光のヘリシティが左回りから右回り（もしくはその逆）に変わります。それらの性質を組み合わせることにより、上述のスピン流と電流のヘリシティ依存性の違いがそれらの流れの時間反転対称性の違いに由来していることを特定しました。

今年最重要的研究成果是发现利用圆偏振光的螺旋性可以区分自旋流和电流（Arakawa et al., Comms. Phys. 6, 43 (2023)）。在这个研究项目中，我们的目标是探索利用光引起的对称性破缺的传输现象的物理学。今年，我们将建立使用圆偏振光作为激发光的多轨道金属中的自旋霍尔效应和反常霍尔效应的理论，我们提出可以通过螺旋度依赖性来区分它们。我们还发现，这个性质是源自时间反转对称性的高度普适性质。这里，圆偏振光的螺旋度是圆偏振光的旋转方向的自由度，有左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。本研究以Sr_2RuO_4作为多轨道金属，采用Floquet理论和线性响应理论相结合的方法，构建了圆偏振光作用下的自旋霍尔效应和反常霍尔效应理论。通过数值研究这些输运现象的输运系数（自旋霍尔电导率和反常霍尔电导率），我们发现当螺旋度从逆时针变为顺时针时，自旋电流的方向保持不变，但我们发现电流反向。我们还表明，即使光的频率和振幅发生变化，这种螺旋度依赖性仍然成立。如果这里进行时间反转，自旋流的方向保持不变，但电流的方向相反。此外，时间反转将圆偏振光的螺旋度从逆时针更改为顺时针（反之亦然）。通过结合这些性质，我们确定上述自旋流和电流之间的螺旋度依赖性差异源于这些流的时间反转对称性的差异。