波動関数の幾何学的構造が電場下の光起電力効果に及ぼす影響を解明
東京大学物性研究所の室谷悠太助教は、藤本知宏大学院生及び松永隆佑准教授と協力して、電場をかけた固体に円偏光を照射することで生じる電流を理論的に調べ、その振る舞いが電子波動関数の幾何学的構造によって決定されることを明らかにしました。
固体に光を照射することで電流や電圧（起電力）が生じる光起電力効果は、太陽光発電や光検出器の動作原理にもなっている重要な現象です。従来は光励起された電子を電場によって加速するという古典的なプロセスのみが利用されてきましたが、近年はそれを越える量子力学的な効果をも活用しようとする試みが盛んになっています。その一例が、円偏光によって波動関数のトポロジーを変化させ、異常ホール効果を誘起しようとするフロッケ・エンジニアリングのアプローチです。
固体中の電子波動関数を運動量空間で眺めると、変化に乏しい「平らな」領域や、急激に変化する「曲がった」領域が見えてきます。このような幾何学的構造があれば、連続的な変形で移り変われるかどうかに基づくトポロジカルな分類も可能になります。この意味で特殊なトポロジーを持つ一部の物質に円偏光を照射すると、時間反転対称性の破れを介して別のトポロジーを持つ状態に変化することが予想されます（図１）。その結果、外部電場と直交する向きに電流を生じる異常ホール効果が発現すると考えられています。
しかし、研究が進む中で、実際の電流に寄与するのはこのメカニズムだけではないことが分かってきました。もともと空間反転対称性を持たない物質では、円偏光を吸収するだけで電流が流れるという円偏光ガルバノ効果が知られています。空間反転対称性は外から電場を加えることによっても破れるため、円偏光と電場を同時に加える実験配置では、時間反転対称性の破れによる異常ホール効果と空間反転対称性の破れによる円偏光ガルバノ効果が競合することになります。しかしながら後者は発見から日が浅く、詳細は未解明のままとなっていました。
室谷助教らは、従来ばらばらに議論されていたこれらの現象を統一的に記述し、電場下で起こる円偏光ガルバノ効果の起源を解き明かしました。先述した波動関数の幾何学的構造はベリー曲率という量によって定量化されますが、これは左回り・右回り円偏光に対する吸収率の差（円二色性）を生む働きもします。外部電場は波動関数の混成を通じてベリー曲率を変調するため、それによる円二色性が円偏光ガルバノ効果を引き起こすことが理論的に示されました（図２）。さらに、ベリー接続と呼ばれる別の幾何学的量が関与することも明らかになりました。ベリー接続は光学遷移の過程で電子雲を空間的に動かす働きをしますが、外部電場の下ではその移動距離に対応したポテンシャルエネルギーが遷移エネルギーに加算されます（図３）。この変化も運動量空間における円二色性の起源となるのです。
電場下の固体に光を照射して垂直方向の起電力を測る実験はこれまで数多く行われてきましたが、注目するメカニズムを限定して議論するものがほとんどでした。本研究はそこで起こる複雑な応答を整理して統一的に記述しただけでなく、電子波動関数の幾何学的性質との関わりをこれまでにない視点から明らかにした画期的な成果です。電場下の円偏光ガルバノ効果がさまざまな物質で見られる重要な現象であることは最近の実験的研究によっても確かめられつつあります。本研究はこのような実験・理論両面の進展を支える基礎となることが期待されます。
本研究の成果は、2026年3月2日に米国科学誌『Physical Review B』にオンライン掲載されました。
発表論文
- 雑誌名：Physical Review B
- 論文タイトル：Unified theory of the photovoltaic Hall effect by field- and light-induced Berry curvatures
- 著者：Yuta Murotani, Tomohiro Fujimoto, and Ryusuke Matsunaga
- DOI：https://doi.org/10.1103/7psv-fzw1
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