【発表のポイント】

• 磁性ワイル半金属（注１）と呼ばれる特殊な磁性体において巨大な磁気光学効果を発見しました。
• 観測した磁気光学効果は物質のトポロジカルな性質を反映しており、これまでにない発現機構のものと言えます。
• テラヘルツ?赤外領域における革新的な光学デバイスの開発の進展が期待できます。

【概要】

東京大学大学院工学系研究科の岡村嘉大助教、高橋陽太郎准教授、理化学研究所の十倉好紀センター長、東北大学金属材料研究所の藤原宏平准教授、塚﨑敦教授らの研究グループは、磁性ワイル半金属と呼ばれる近年新たに見つかった磁性体において、巨大な磁気光学応答の実証に成功しました。トポロジカル物質と呼ばれる一連の物質群では、特殊な電子構造に由来した新奇な電磁気応答が理論的に予測されており、次世代エレクトロニクス?フォトニクスへの応用展開が期待されています。例えば、こうした物質群においては、電子はあたかも非常に大きな磁場がかかっているかのように振る舞い、巨大な異常ホール効果（注２）に代表される非自明な伝導現象が報告されています。その一方で、光学応答についても物質のトポロジーに由来した新たな現象の存在が期待されていました。

今回、岡村嘉大助教らは、強磁性でなおかつトポロジカル物質であるCo₃Sn₂S₂において、トポロジカルな電子構造に関連した磁気光学応答の探索を行いました。テラヘルツから赤外の広い光学領域（注３）において、高精度に磁気光学ファラデー?カー効果を測定した結果、この物質の磁気光学効果が、これまで観測されてきた通常の磁性体と比べてはるかに大きいことがわかりました。さらに、光学ホール伝導度スペクトルと第一原理計算（注４）との比較を行うことで、観測した光学応答がまさにトポロジカルな電子構造に由来していることを明らかにしました。

今回得られた成果は、トポロジカル物質が一般的に大きな磁気光学効果を示すことを示唆しています。今後、トポロジカル物質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ます。

本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」に英国時間9月15日に掲載されました。

【用語解説】

（注１）磁性ワイル半金属
電子の持つ運動量によって電子状態を記述したものをバンド構造と呼び、２つのバンドが何らかの対称性によって交差しているものをトポロジカルな電子構造という。ワイル半金属は、このような電子状態を持つトポロジカル物質の１つであり、バンドの交差点（ワイル点）が対をなして現れる。

（注２）異常ホール効果
磁場印加状態において、磁場と垂直に電流を流すと磁場?電流に垂直な方向に電圧が発生する効果をホール効果と呼ぶ。この電圧は一般に印加磁場の大きさに比例するが、強磁性体の場合においては、さらに磁化に比例するような電圧も生じ、これを異常ホール効果と呼ぶ。

（注３）テラヘルツから赤外の広い光学領域
毎秒約10の12乗（一兆）回振動する周波数のことをテラヘルツ周波数と呼び、この周波数の電磁波をテラヘルツ波と呼ぶ。エネルギーでは0.005eV程度の帯域に対応する。一方、赤外領域は可視領域よりも低エネルギーの光学領域を広く指し、0.01eVから1.5eV程度のエネルギー帯域に対応する。

（注４）第一原理計算
量子力学に基づき、結晶構造のみから物質の電子状態や物性を予測する理論計算手法。

詳細（プレスリリース本文）

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