研究

東工大ニュース

磁性で創る新しいフォトニクス材料とデバイス―弱い光で磁化が変化する光磁石の発見と応用―

RSS

2015.08.18

概要

東京工業大学総合理工学研究科の山本康介修士課程修了、北本仁孝教授、像情報工学研究所の宗片比呂夫教授らのスピンフォトニクス研究グループは、コバルト(Co)とパラジウム(Pd)のごく薄い膜を交互に積層した磁性薄膜が光励起に対して極めて高い感受性を示す「光磁石」(光により磁性を変えられる材料)候補であることを発見した。パルス光強度 1μJ/cm2 (1平方メートル当たり1マイクロジュール)以下の超短レーザーパルス光[用語1]を用いた光励起磁化才差運動[用語2]の実験によって見出した。

さらに、同研究グループの東工大像情報工学研究所の西林一彦特任講師は、電気通信大学の米田仁紀教授、NHK放送技術研究所の久我淳氏らとの共同研究により、類似の磁性薄膜と光ファイバーを一体化した光導波路を用いて、導波路を伝搬するモード光の選択的な偏光変調に成功し、光磁石材料と偏光変調を組み合わせた光信号多重伝送の可能性を切り拓いた。

研究の背景

デジタル情報技術は私達の生活スタイルに多大な影響を及ぼしつつあるが、そのことが、研究者にとっては、いっそう高速でエネルギー効率の高いデジタル信号の扱い方の研究に対する大きな動機となっている。実際、電気電子工学者は半導体チップ上で光デジタル信号を使うことを検討し始めており、固体物理学者はチップ上で電子の電荷[用語3]に代わって電子のスピン[用語4]を用いたデバイスを研究している。

光は宇宙で最速であり、スピンが磁気シグナルを伝送する際に発生する熱量は、電荷輸送に伴って発生する熱量よりも格段に小さい。しかし、光とスピンを組み合わせて最強タッグチームを作ろうとすると大きな問題がある。それは、光とスピンとの間の相互作用は光と電荷との間の相互作用に比べて小さいという問題である。

研究成果

宗片教授らの研究グループは、電荷とスピンの間の相互作用が大きな物質群に着目した。具体的には、スピン安定状態が異なる2種類の物質の接合界面、この場合はCoとPdの界面で発生する電荷のわずかな偏りに基づくスピンに着目した。超短時間に圧縮した弱い光パルスを試料に照射して、一気に光-電荷-スピン間の相互作用を変調することで、スピンの向き、実際にはスピンが一方向にそろったスピン集団全体の向き(磁化[用語5])を変化させることができることを、磁化の才差運動(コマの首振り運動)を観測することで示した。

ところで、通常の実験では、自由空間を伝搬する光ビームを用いて物質と光の間の相互作用を調べることが多い。しかし、光ファイバーなどの導波路内では、干渉の結果、光は強度分布が複雑な多くのモード光に分かれて伝搬する。したがって、スピンを含む領域をモード光が伝搬する場合、光-スピン間の相互作用が伝搬光全体としてはどのように変調されうるか自明でない。西林特任講師らの実験結果は、スピンを含む空間位置とそれによって変調されるモード光の間に強い相関が存在することを明らかにしている。

今後の展開

弱い光パルスで磁化の周期的な運動を発生させることができると、その周囲を通過する光デジタル信号の偏光面や群速度を制御できる可能性が拓ける。光の多重伝送をはじめ、これまでの光回路では着想されなかったデバイス、例えばスピンと光だけで構成する光メモリや遅延再生、などの研究に発展する可能性を秘めている。具体的なデバイス試作はこれから始まると期待される。

光磁石の発見を示唆する光励起磁化才差運の実験データ(左)とCo/Pd極薄積層構造概略図(中上)、ならびに、その現象を活用した三端子光素子概略図(右下)
図1.
光磁石の発見を示唆する光励起磁化才差運の実験データ(左)とCo/Pd極薄積層構造概略図(中上)、ならびに、その現象を活用した三端子光素子概略図(右下)

用語説明

[用語1] 超短レーザーパルス光 : 100フェムト秒ないしそれ以下に圧縮されたパルス状の光波。今回の実験では基本波長 790nm(ナノメートル)を用いた。

[用語2] 才差運動 : 磁化が方向AからBに変化する際、めざす方向Bを軸としてその周りを周回する運動。

[用語3] 電荷 : ここでは固体中で電流を流す役割を担う電子の電荷を指す。

[用語4] スピン : ここでは電子固有の磁気モーメントと電子軌道が発生する磁気モーメントの両者を指す。

[用語5] 磁化 : スピンが集団的に一方向にそろった安定状態を指す。磁石の強さに相当する。

論文情報

掲載誌 :
IEEE Trans. Mag. 49, 3155 (2013)
論文タイトル :
Low-power photo-induced precession of magnetization in ultra-thin Co/Pd multi-layer films
著者 :
K. Yamamoto, T. Matsuda, K. Nishibayashi, Y. Kitamoto and H. Munekata
DOI :
掲載誌 :
Applied Physics Letters 106, 151110 (2015).
論文タイトル :
Demonstration of polarization modulated signals in a multi-mode GdFe-silica hybrid fiber
著者 :
K. Nishibayashi, H. Yoneda, K. Kuga, T. Matsuda, and H. Munekata
DOI :

問い合わせ先

像情報工学研究所
教授 宗片比呂夫
Email : hiro@isl.titech.ac.jp
Tel / Fax : 045-924-5185

RSS