●科学技術ニュース●東京大学など、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し光スイッチングデバイスなどへの応用に期待

　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の研究グループと共同で、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、同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、さまざま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。

　同成果は、トポロジカル物質とマルチフェロイクス（磁性と強誘電性という2つの性質を併せ持った物質群であり、両者の性質が結合した交差相関応答が現れる）が融合した物質機能の実証といえるもので、今後期待されるさまざまな線形・非線形電磁気応答の開拓への道を開くもの。

　同研究ではマルチフェロイクスとトポロジカル物質の融合から生じた現象として、巨大な非線形光学のME応答がワイル半金属で生じることを明らかにした。

　これはトポロジカル物質に特徴的な電磁気応答を拡張したという点で大きな意義を持つだけではなく、トポロジカル半金属を利用した非線形光学効果のスイッチングデバイスなど、将来の光機能デバイスの開発へつながることが期待できる。＜理化学研究所（理研）＞