2022-03-30 東京大学,理化学研究所,科学技術振興機構
ポイント
- 強誘電体のフォノン（格子振動）の共鳴を用いたテラヘルツ領域の光起電力効果の観測に成功しました。
- 量子力学的な位相効果を介することで、電子励起を介さない、全く新しい光起電力効果の機構の実証に成功しました。
- テラヘルツ・赤外領域における革新的な光検出デバイスの開発の進展が期待できます。
光起電力効果とは光照射することで物質中に電流・電圧が生じる効果であり、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができます。例えば一般的に普及している太陽光発電ではｐ－ｎ接合を利用したデバイスを用いることで光起電力効果を実現しています。自発的に電気分極を持つ強誘電体において生じる「バルク光起電力効果」が光起電力効果の新たな原理として注目され、盛んに研究されるようになってきました。しかし、既存の光起電力効果のほとんどは、半導体や絶縁体の電子遷移を介するために原理的に可視光などの高いエネルギー領域に限られてしまいます。このため、低エネルギーの光に対する光起電力効果は困難であると考えられてきました。
今回、東京大学 大学院工学系研究科の岡村 嘉大 助教、森本 高裕 准教授、高橋 陽太郎 准教授、永長 直人 教授、理化学研究所 創発物性科学研究センターの十倉 好紀 センター長らを中心とする研究グループは、強誘電体として最もよく知られているＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）において、テラヘルツ帯での光起電力効果の実証を行いました。テラヘルツ帯は将来の通信などへの応用が期待される帯域ではあるものの、光検出などの基盤技術は発展途上です。強誘電体には、テラヘルツ光と強く相互作用するフォノンの共鳴が存在することが知られています。本研究では、テラヘルツ光照射によるフォノン生成から生じる光電流の観測に成功しました。この現象は、一般的には電子遷移が不可欠と考えらえてきた光起電力効果の概念を覆すもので、可視光の千分の一程度の光のエネルギーで発電が可能であることが示されました。さらに、理論モデルを構築し第一原理計算を行うことで、今回観測した光起電力効果において量子力学的な位相効果が重要な役割を果たしていることを見いだしました。
今回得られた成果は、固体中に存在するさまざまな励起状態が一般的に光起電力効果を示すことを示唆しています。これにより今まで実現が難しいと考えられていたあらゆる帯域の光起電力効果の実現と、それ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、２０２２年３月２８日（米国東部夏時間）に米国科学誌「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ」のオンライン版に掲載されました。
＜論文タイトル＞
- “Photovoltaic effect by soft phonon excitation”
- ＤＯＩ：10.1073/pnas.2122313119
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
岡村 嘉大（オカムラ ヨシヒロ）
東京大学 大学院工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センター 助教
高橋 陽太郎（タカハシ ヨウタロウ）
東京大学 大学院工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センター 准教授
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
＜報道担当＞
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
理化学研究所 広報室 報道担当
科学技術振興機構 広報課
