原子の構成要素である電子は、飛び飛びのエネルギーの値（エネルギー準位）を取ります。そして、非常に多くの原子から成る結晶では、電子は多数のエネルギー準位が束になった帯（バンド）状のエネルギー構造を持つようになります。その中でも、相異なるバンドが交差することによって円錐状のバンド構造が対を成して現れる結晶群をワイル半金属と呼びます。数学の位相幾何学（トポロジー）の概念を適応することにより、トポロジカル物質と呼ばれる物質群が相次いで発見されるようになりました。ワイル半金属もトポロジカル物質の一種です。その物理的起源を探る基礎研究や、外部磁場によって電気抵抗が大きく変化する巨大磁気抵抗効果など特異な電気伝導性を生かした新機能デバイス開発などの応用研究が、世界レベルで精力的に行われています。 本研究では、結晶にレーザーを照射してワイル半金属状態を生成することにより生じる物理現象について、理論的に追及しました。具体的には、砒化亜鉛（Zn3As2）という半導体（一種の絶縁体）にバンドギャップ（電子が存在できない領域）と共鳴する周波数を持つ強い円偏光レーザーを照射し、光と電子が一体化した量子状態について、数値計算を行いました。
その結果、レーザーの周波数と強度がある一定の範囲においては、絶縁体相が二種類のワイル半金属相に相転移することを理論的に示しました。電子にはスピンと呼ばれる磁石の性質があり、上向きと下向きの二つの方向があります。今回のような条件下での光照射においては、上向きと下向きスピンのうち一方のみが優先的に励起されます。例えば左円偏光で励起された電子は下向きスピン状態が偏極した表面状態を形成し、磁化を発現することを見出しました。もう一方の上向き電子スピン状態では、環状のバンド交差が現れ、ワイル半金属というよりむしろ線ノード半金属といわれるトポロジカル状態が発現することが分かりました。
本研究は、レーザー照射によって非磁性半導体表面に磁化を誘起する可能性を示したものですが、母結晶を電子同士の相互作用が強い強相関電子系やさまざまなトポロジカル物質とし、同様の光制御を行うことによって、さらに多様な物性を光創成することができると期待されます。
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研究代表者
筑波大学数理物質系
日野 健一 教授