キラル物質が示す光による電流生成機能を予言

新しい光エレクトロニクス機能の開拓へ道2025年6月6日早稲田大学 キラル物質が示す光による電流生成機能を予言 新しい光エレクトロニクス機能の開拓へ道 【表：https://kyodonewsprwire.jp/prwfile/release/M102172/202506050079/_prw_PT1fl_2p4X1X8m.png】 光照射により物質の性質や機能を自在に操ることは、物質科学におけるチャレンジングな課題ですが、レーザー技術の発展により、近年その研究は加速度的に進展しています。 今回、早稲田大学高等研究所の大湊友也（おおみなとゆうや）講師と、同大学理工学術院の望月維人（もちづきまさひと）教授は、キラルな結晶構造を持つ物質に光を照射すると、指向性のある電流が発生すると同時に、照射した光の整数倍の周波数を持つ光 が発生することを理論的に発見しました。この現象は、光による電流の生成やオン・オフ、電流方向のスイッチング、光信号から電気信号への変換、光信号の周波数変換など 、さまざまなエレクトロニクス技術への応用が期待できます。今回の発見は、キラルな物質が光エレクトロニクスデバイスの素材として高いポテンシャルを秘めていることを初めて明らかにした革新的な成果です。 本研究成果は、アメリカ物理学会発行のPhysical Review Research誌に2025年6月2日にオンラインで掲載されました。 【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202506050079-O2-99393ms4】 図１ ：左手と右手のように、鏡に写した像が元の像と重ならない構造を「キラルな構造」と呼ぶ。コバルトケイ素(CoSi)はキラルな結晶構造を持ち、[111]方向から結晶構造を観察すると、原子が螺旋状に配置されている。CoとSiで螺旋の巻き方が逆の構造になっている。キラルな結晶構造を持つ物質に光を照射して電子を励起すると、指向性のある電流が生成されるのと同時に、照射した光の整数倍の周波数を持つ光が発生する。光の強さと周波数を調整すると、電流のオン・オフや向きの切り替え、光信号から電気信号への変換、光信号の周波数変換など、さまざまな光エレクトロニクス機能を実現できる可能性がある。 キーワード： レーザー光、円偏光、キラル結晶、コバルトケイ素(CoSi)、光電流生成、高次高調波発生、光エレクトロニクス機能 （１）これまでの研究で分かっていたこと 光照射により物質中の電子を励起することで新しい物性現象や物質機能を引き出そうとする研究が、世界中の研究者を巻き込んで精力的に行われています。特に、近年のレーザー技術の発展は、そのような研究を大きく進展させました。 光を物性制御の手段として用いることの利点は、（１）高速の応答性、（２）摩耗フリーな非接触性、（３）共鳴励起 ※1を活用することによる省電力性、などが挙げられます。そのため、光による物性制御は、現象そのものに対する基礎科学的な興味に加え、技術応用上の観点からも多くの研究者の興味を集めています。 物質が示す最も有名な光誘起現象の一つに「光起電力効果」があります。これは、物質に光を照射することで電圧が生じ、電流が流れる現象です。例えば、シリコン半導体を使った太陽電池では、プラスの電気を帯びやすいp型半導体とマイナスの電気を帯びやすいn型半導体を張り合わせた接合デバイスに太陽光が照射されると電流が流れます。このような現象は、環境に優しく、安全でクリーンなエネルギー源として近年注目を集めています。 太陽電池で誘起される電流は、光の照射方向や偏光、強度に依らず、常に決まった方向に流れます。一方で、これらの光のパラメータを変えることで、電流のオン・オフや、電流の向きのスイッチングが実現できれば、双極性電源や、光-電気信号変換といったエレクトロニクス技術への応用の可能性が大きく広がります。しかし、そのような視点に立った研究はこれまでほとんどありませんでした。 （２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと そこで本研究では、照射する光の進行方向や偏光に依存した電流のオン・オフや、電流方向のスイッチングが実現できる可能性を理論的に探索することを目指しました。この目的を達成するために本研究では、結晶構造自体が方向性を持つ「キラル結晶物質」に着目しました。「キラル」という言葉は、左手と右手のように、鏡に映した像と元の像が互いに重ね合わせることのできない関係にある構造を表します。物質の中にはキラルな結晶構造をもつ「キラル結晶物質」があります。例えば、結晶を構成する原子が螺旋状に並んでいる物質は典型的なキラル結晶物質です。そのような物質中の原子の配列は必然的に空間的な「向き」を持つことになります。 このような「向き」を持つキラル結晶物質に光を照射することで、結晶の向きと光の向き（照射方向や偏光）の相対的な関係に依存した指向性を持つ応答が起こるのではないかと考えました。そこで、コバルト(Co)とケイ素(Si)という２種類の元素から構成され、B20型と呼ばれるキラルな結晶構造を持つCoSiという化合物に着目し、その光照射に対する応答を調べました。 具体的には、CoSiに円偏光レーザー光※2を照射したときに起こる現象を、時間周期的な外場である「光の振動電磁場」で駆動された系を記述するフロケ理論 ※3と呼ばれる理論手法を用いて、コンピュータによる数値計算を行うことで調べました。その結果、(1) 制御可能な光電流生成と、(2)照射した光の整数倍の周波数を持つ光が発生する現象（高次高調波発生※4）が起こることを理論的に発見しました。 まず（１）に関して、レーザー光の照射により発生する電流の大きさを3種類の周波数の光 について計算した結果を図２(左)のグラフに示します。横軸はレーザー光電場、縦軸は発生する電流の大きさです。今回の設定では、光の入射方向と同じ方向に電流が流れます。理論的な解析の結果、これはキラルな結晶構造に由来する特徴的な光応答の一つであり、左円偏光と右円偏光で電流の向きが反転することが分かりました。さらにグラフから、レーザー光の強度や周波数を変化させると、電流の向き（符号）が変化していることが読み取れます。これは、光の強度や周波数を変えることで、光により生成される電流の向きをスイッチングできることを意味しており、本研究で発見された重要な現象の一つです。 【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202506050079-O3-06jJC0RV】 図２：キラル結晶物質CoSiに光を照射することで生成される電流の計算結果。 入射方向と平行な電流が生成され、光の偏光や周波数、強度に依存して電流の流れる向き（符号）が変わる。 次に、照射したレーザー光の整数倍の周波数を持つ光が発生する現象に関する計算結果を示します（図３左図参照）。このような現象は高次高調波発生と呼ばれます。下図のグラフは、レーザー光の入射方向に対して、平行方向と垂直方向の高次高調波発生の強さを計算した結果です。照射したレーザー光の周波数に対して、どの整数倍の周波数を持つ光が発生するかを示しています。これらのグラフから、照射光の偶数倍の周波数を持つ光が照射光と垂直な方向に発生・伝播し、奇数倍の周波数を持つ光が平行な方向に発生・伝播していることが読み取れます。つまり、図３右図の概念図に示すように、整数倍の周波数の偶奇に応じた特定の方向に光が発生・伝播することが分かります。理論的な解析の結果、この現象もキラルな結晶構造に由来する光応答であることが分かりました。今回明らかにした重要な点は、放射される光に整数倍の周波数の偶奇に応じた指向性があることです。このことは、キラル結晶物質が光の周波数と進行方向を変換する素子として活用できることを示しています。 そのため、レーザー光の制御性向上という点で光エレクトロニクスの発展に貢献する画期的な現象です。 【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202506050079-O4-221PgD5H】 図３：レーザー光照射によって高次高調波発生 が起きる。整数の偶奇によって放射方向が異なる。 （３）研究の波及効果や社会的影響 本研究は、キラルな物質で光を用いて電流を生成する原理および光の周波数と進行方向を変換する原理を理論的に発見したものであり、物質科学、光科学、エレクトロニクスの幅広い分野に影響を与えます。特に、CoSiという具体的な物質に対して新現象が現れる条件を理論的に提示したことにより、今回の理論予言検証を目指す実験研究や、他のキラル物質を対象とした光による電流生成現象の探索など、多くの関連研究 が発展していくと期待されます。例えば、CoSiと同様のキラルな結晶構造を持つMnSiやFeGe、あるいはキラルな分子結晶や金属有機構造体なども今後の研究対象として挙げられます。さらに、光によって電流を発生・制御する機能や、光の周波数変換を実現する性質は、光を用いた情報処理やエネルギー変換技術への応用展開を促進します。これにより、電子機器や通信技術の分野において、従来材料とは異なる動作原理に基づく新たな光機能デバイスの開発が期待されます。特に、キラルな構造に由来する指向性を活かすことで、光スイッチや光整流素子による低消費電力・高効率な次世代光エレクトロニクス技術の発展に貢献します。 （４）課題、今後の展望 今回の研究で理論的に発見した「円偏光レーザー光を照射した際のキラル結晶における電流スイッチングと偶奇に応じた高次高調波発生の指向性」の観測を目指して、実証実験を行うことがこれから取り組むべき課題です。実証実験が行われる段階に入れば、実験データを参考にして理論の精密化を行い、それによってより正確に実験データを解釈できる、というサイクルで理論と実験が両輪となって研究が進展していくと考えられます。 （５）研究者のコメント 今回の研究では、キラル結晶へのレーザー光照射によって、新しい光エレクトロニクス機能としての応用可能性を秘めた現象を発見しました。これは光を使って電子を自在に操るという大きな目標に向けて、円偏光レーザー光とキラルな構造の組み合わせが有効であることを示しています。今後も、「光」と「キラル」をキーワードとする研究者間の交流を促進する新現象を発見して、次世代の光技術開発に貢献したいです。 （６）用語解説 ※1 共鳴励起 外場の周波数（例えば光による振動電場）を、電子のエネルギー準位差で決まる固有の周波数に一致させて、効率的に電子を励起することです。 ※2 円偏光レーザー光 円偏光を持ったレーザー光のことです。ここで「円偏光」とは、光の電場ベクトルが一定の振幅で左回り（左円偏光）または右回り（右円偏光）に回転しながら進行する特殊な偏光状態のことです。一方、レーザー光とは、単一波長で位相の揃った光（コヒーレント光）であり高い指向性を持ちます。 ※3 フロケ理論 常微分方程式の周期解を扱うための数学の理論で、時間周期的な外場によって駆動された電子の運動を時間に依らない電子の運動に置き換えて解析することができます。 ※4 高次高調波発生 もとの光の整数倍の周波数をもつ光を作り出す現象で、アト秒光パルス（2023年ノーベル物理学賞）でも重要な役割を果たしています。 （７）論文情報 雑誌名：Physical Review Research 論文名：Theory of photocurrent and high-harmonic generation with chiral fermions 執筆者名(所属機関名)：大湊友也*（早稲田大学高等研究所・講師）、望月維人（早稲田大学理工学術院先進理工学部応用物理学科・教授） *筆頭著者 掲載日時：2025年6月2日（月） 掲載URL：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.023218 DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023218 （８）研究助成 研究費名：科研費 基盤研究(A) 研究課題名：スキルミオニクス創成に向けた基盤技術と材料の開拓 課題番号：JP20H00337 研究代表者名（所属機関名）：望月維人（早稲田大学） 研究費名：学術変革領域研究(A) 『キメラ準粒子が切り拓く新物性科学』 研究課題名：キメラ準粒子の理論 課題番号：JP24H02231 研究代表者名（所属機関名）：村上修一（東京大学） 研究費名：科研費 基盤研究(A) 研究課題名：スキルミオンが持つ新しい物質機能・物性現象の開拓とスキルミオニクスの創出 課題番号：JP25H00611 研究代表者名（所属機関名）：望月維人（早稲田大学） 研究費名：科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業 CREST 領域名：トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出 研究課題名：Beyond Skyrmionを目指す新しいトポロジカル磁性科学の創出 課題番号：JPMJCR20T1 研究代表者名（所属機関名）：于秀珍（国立研究開発法人理化学研究所）

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