原子の振動を使った高効率なテラヘルツ光検出に成功 ―フォノンによる巨大な光起電力効果の観測、高効率デバイス開発に道―

2026-03-07 東京大学

東京大学大学院工学系研究科と理化学研究所などの研究グループは、強誘電体SbSI(ヨウ化硫化アンチモン)において、フォノン(格子振動)によってテラヘルツ光を電流に変換する巨大な光起電力効果を実証した。テラヘルツ光はエネルギーが低いため電子励起を利用した従来の光検出が難しいが、本研究ではフォノン励起を利用する新しい機構により高効率な光電変換を実現した。さらに、光電流の周波数応答を初めて定量評価し、SbSIの変換効率が既存の光起電力材料と比較しても最大級の性能指数を示すことを確認した。第一原理計算でも実験結果と一致することが示され、フォノンによる電子波動関数の変調と量子幾何効果が重要な役割を果たすことが明らかになった。本成果は、テラヘルツ通信や高感度センシングに向けた高速・高効率光検出デバイス開発の基盤となる可能性がある。研究成果はScience Advancesに掲載された。

原子の振動を使った高効率なテラヘルツ光検出に成功 ―フォノンによる巨大な光起電力効果の観測、高効率デバイス開発に道―
強誘電体のフォノンによる光電流生成を示す模式図

<関連情報>

強誘電体半導体SbSIにおけるフォノン励起による大きなテラヘルツ光起電力効果の増強 Large terahertz photovoltaic effect enhanced by phonon excitations in ferroelectric semiconductor SbSI

Yoshihiro Okamura, Guang-Yu Guo, Yoshio Kaneko, Masao Nakamura, […] , and Youtarou Takahashi
Science Advances  Published:6 Mar 2026

Abstract

Quantum geometry of Bloch electron in crystalline solids produces various exotic quantum phenomena. The shift current photovoltaic effect driven by the photo creation of quasiparticle is one such emerging example that enables the conversion from terahertz photon into dc charge current with absence of dissipative photocarrier. Despite wide-ranging potential applications, however, the fundamental nature of terahertz photovoltaic response has remained elusive. Here, we show the large photocurrent generation driven by terahertz phonons (<10 milli–electron volts) in ferroelectric semiconductor SbSI with the electronic bandgap of 2.3 electron volts. Zero-bias terahertz photocurrent is found to be resonantly enhanced by optical phonons. Its generation efficiency is larger than that for the direct interband transition and is comparable to the electronic shift current in Weyl semimetal TaAs. The theoretical scaling law of terahertz shift current and first-principles calculation reasonably explain these observations. The present work establishes the universality and high efficiency of phonon-driven shift current, opening the pathway to terahertz technology based on quantum geometry.

0403電子応用
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