東北大学
学際科学フロンティア研究所

『Scientific Reports』に論文掲載、およびプレスリリース

 

先端学際基幹研究部の増本 博 教授は、公益財団法人電磁材料研究所、本学金属材料研究所、および国立研究開発法人日本原子力研究開発機構の研究者らと共同で、全く新しい発想による磁気光学材料の開発に世界で初めて成功しました。開発した材料は、ナノグラニュラー構造と呼ばれる、ナノメートルサイズの磁性金属粒子をセラミックス中に分散させたナノ組織を有する薄膜材料であり、光通信に用いられる波長(1550nm)の光に対して、実用材料であるビスマス鉄ガーネットの約40倍もの巨大なファラデー効果を示します。
　磁気光学効果の一つであるファラデー効果を示す材料は、光アイソレーターに代表されるように、光デバイスや、とりわけ光通信システムに広く用いられ、先端情報技術には欠かすことができません。しかしながら、1972年にビスマス鉄ガーネット(Bi-YIG)が発見されて以来、Bi-YIGを超えるファラデー効果を有する物質は見つかっていませんでした。さらに、光学デバイスの小型化および集積化のため、材料の薄膜化が必須であり、Bi-YIGの薄膜化の検討がなされてきましたが、それらの特性はバルクBi-YIGに大きく劣っています。このため、これまでのファラデー効果を用いたデバイスでは、設計および性能が限定されていました。

　増本教授らの研究グループは、ナノメートル(1/1000000ミリメートル)の微細複合構造を持つナノグラニュラー磁性体の研究開発を進め、Bi-YIGに比して巨大なファラデー回転角を有する薄膜材料の開発に成功しました。この材料は、粒径が数ナノメートルの鉄-コバルト合金微粒子(グラニュール)が、 フッ化アルミニウムやフッ化イットリウムなどのフッ化物セラミックスから成る媒質（マトリックス）中に分散した構造を有します。この構造により、グラニュールとマトリックスの界面において、グラニュールを構成する鉄やコバルト原子の磁気モーメントが増大して、大きなファラデー効果が得られると考えられます。
　この新しい材料は、45年ぶりに見出され、従来材料よりもはるかに大きなファラデー効果を示す磁性薄膜材料です。この材料を用いることにより、光デバイスの大幅な高性能化、さらに小型化・集積化が可能となります。従来の電子を信号とする電子デバイスの進化と同様に、光デバイスが集積化されれば、いうなれば電子に代わる"光子"集積化回路が可能となり、電磁ノイズの影響が無く、高密度情報伝達が可能で、大幅な省エネルギー化を実現することができます。

　なお、本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」（3月21日付）に掲載され、3月29日に本学よりプレスリリースされました。

論文情報：
N. Kobayashi, K. Ikeda, Bo Gu, S. Takahashi, H. Masumoto and S. Maekawa, "Giant Faraday Rotation in Metal-Fluoride Nanogranular Films",
Scientific Reports, vol. 8, Article number: 4978 (2018)
DOI:10.1038/ｓ41598-018-23128-5
https://www.nature.com/articles/s41598-018-23128-5

 

プレスリリース：
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