6249439 電磁波の透過率制御方法、電磁波の透過率制御デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6249439

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】電磁波の透過率制御方法、電磁波の透過率制御デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20171211BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

【請求項の数】12

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-257354(P2013-257354)

(22)【出願日】2013年12月12日

(65)【公開番号】特開2015-115499(P2015-115499A)

(43)【公開日】2015年6月22日

【審査請求日】2016年10月27日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （ウェブサイトのアドレス）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｕｔｉｌ／ｍ２０１３０６１４．ｈｔｍ （公開者） 木林駿介 （掲載日） 平成２５年６月１４日 （学術研究集会名）日本物理学会２０１３年秋季大会、（発表者） 高橋 陽太郎、木林 駿介、関 真一郎、十倉 好紀 （発表日） 平成２５年９月２５日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度 独立行政法人 科学技術振興機構 さきがけ「磁気バブルメモリの刷新に向けたスキルミオンの結晶学と電磁気学の構築」、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(72)【発明者】

【氏名】高橋 陽太郎

(72)【発明者】

【氏名】木林 駿介

(72)【発明者】

【氏名】関 真一郎

(72)【発明者】

【氏名】十倉 好紀

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／１１４７４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００７／１０８４７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭６４−０００９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２６６６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４６１９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体に対して、互いに異なる伝搬方向から電磁波を伝搬させ、当該伝搬方向間で透過率を互いに異ならせること
を特徴とし、
上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記伝搬方向間の透過率の差分値を変化させる電磁波の透過率制御方法。

【請求項2】

上記コニカル構造のスピン方向の和に応じた伝搬方向で、かつ互いに１８０°異なる伝搬方向から上記絶縁体中を伝搬する電磁波の透過率を、当該伝搬方向間で互いに異ならせること
を特徴とする請求項１に記載の電磁波の透過率制御方法。

【請求項3】

Ｃｕ_２Ｆｅ_１−ｘＧａ_ｘＯ_２からなる絶縁体に上記コニカル構造を誘起させること
を特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波の透過率制御方法。

【請求項4】

上記コニカル構造のスピン方向は、上記伝搬方向と略平行に印加する磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティは、上記伝搬方向に対して略垂直に印加する電場に応じて制御すること
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁波の透過率制御方法。

【請求項5】

プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体に対して電磁波を伝搬させ、
上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記電磁波の透過率を変化させること
を特徴とする電磁波の透過率制御方法。

【請求項6】

上記コニカル構造のスピン方向は、上記伝搬方向と略平行に印加する磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティは、上記伝搬方向に対して略垂直に印加する電場に応じて制御すること
を特徴とする請求項５に記載の電磁波の透過率制御方法。

【請求項7】

プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体を備え、
互いに異なる伝搬方向から上記絶縁体に伝播させる電磁波の透過率を当該伝搬方向間で互いに異ならせること
を特徴とし、
上記絶縁体は、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記伝搬方向間の透過率の差分値を変化させる電磁波の透過率制御デバイス。

【請求項8】

上記絶縁体は、上記コニカル構造のスピン方向の和に応じた伝搬方向で、かつ互いに１８０°異なる伝搬方向から伝搬する電磁波の透過率を、当該伝搬方向間で互いに異ならせること
を特徴とする請求項７に記載の電磁波の透過率制御デバイス。

【請求項9】

上記絶縁体は、Ｃｕ_２Ｆｅ_１−ｘＧａ_ｘＯ_２であること
を特徴とする請求項７又は８に記載の電磁波の透過率制御デバイス。

【請求項10】

上記コニカル構造のスピン方向を上記伝搬方向と略平行に印加される磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティを上記伝搬方向に対して略垂直に印加される電場に応じて、制御する手段を更に備えること
を特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の電磁波の透過率制御デバイス。

【請求項11】

プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体を備え、
上記絶縁体に伝搬させる電磁波を、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて変化させることを特徴とする電磁波の透過率制御デバイス。

【請求項12】

上記コニカル構造のスピン方向を上記伝搬方向と略平行に印加される磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティを上記伝搬方向に対して略垂直に印加される電場に応じて、制御する手段を更に備えること
を特徴とする請求項１１に記載の電磁波の透過率制御デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、互いに異なる伝搬方向から伝搬される電磁波の透過率を制御することで当該伝搬方向間で整流を行う上で好適な電磁波の透過率制御方法、電磁波の透過率制御デバイスに関するものである。

【背景技術】

【0002】

物質中の電子の持つスピンや電気分極に関する複数の巨視的スケールの秩序構造が出現するマルチフェロイックス物質が近年において注目されている。このマルチフェロイックス物質は、電場による磁気秩序の変化、磁場による電気分極の方向性の変化等、新奇な物性を示す。このため、マルチフェロイックス物質を活用することで、磁場による誘電分極、電場により磁化を制御する新しいタイプのデバイスへの応用も期待される。

【0003】

特に近年では、マルチフェロイックス物質において、磁性と誘電性の結合効果である電気磁気効果（ＭＥ効果）が静的、動的の両面において著しく巨大な応答を示すことも明らかになってきている。例えば、代表的なマルチフェロイックス物質であるペロブスカイト型マンガン酸化物ＲＭｎＯ₃（Ｒ：希土類元素）においては、サイクロイド型スピン構造に基づく強誘電分極が観測されている（例えば、非特許文献１参照。）。

【0004】

動的な応答としての動的ＭＥ効果としては、電場に応答するスピン波であるエレクトロマグノンがテラヘルツ領域に現れることが既に検証されている（例えば、非特許文献２参照。）。

【0005】

また上述したエレクトロマグノンについて、方向二色性と呼ばれる動的ＭＥ効果特有の光学応答も観測されている（例えば、非特許文献３参照。）。この方向二色性とは、物質中に伝搬する光の方向に依存して、電磁波の透過率が変化する現象をいう。この電磁波の吸収が大きくなる方向は、物質の磁性や電気的な性質によっても制御することができる。かかる現象は、円偏光のみ２色性を示すファラデー効果とは異なり、直線偏光に対しても適用できることから、光学素子として幅広い応用が期待できる。また、このエレクトロマグノンを利用することにより、数百ＧＨｚ〜ＴＨｚもの高周波からなる電磁波についても同様に方向二色性や、電磁波の透過率を制御することができる。このため、かかる高周波帯域における将来の高速通信や、有機物を中心とした物質の簡易センサ等への応用も期待できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】T.Kimura et al,Nature 426,55 (2003)

【非特許文献2】A.Pimenov et al.Nature Physics 2,97 (2006)

【非特許文献3】Y.Takahashi et al., Nature Physics 8,121 (2012)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、このエレクトロマグノンは、これを好適に誘起させるための条件が過酷であり、またこれが予め好適に誘起されている材料も希少である。このため、上述した高速通信用デバイスや簡易センサ等の量産に関する社会的要請に応えることができないという問題点があった。

【0008】

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、数百ＧＨｚ〜ＴＨｚもの高周波からなる電磁波の透過率を制御する上で、量産性をも考慮し生産性に優れた電磁波の透過率制御デバイス、並びにこれを利用した電磁波の透過率制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

請求項１記載の電磁波の透過率制御方法は、プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体に対して、互いに異なる伝搬方向から電磁波を伝搬させ、当該伝搬方向間で透過率を互いに異ならせることを特徴とする。

【0010】

請求項２記載の電磁波の透過率制御方法は、請求項１記載の発明において、上記コニカル構造のスピン方向に応じた伝搬方向で、かつ互いに１８０°異なる伝搬方向から上記絶縁体中を伝搬する電磁波の透過率を、当該伝搬方向間で互いに異ならせることを特徴とする。

【0011】

請求項３記載の電磁波の透過率制御方法は、請求項１又は２記載の電磁波の発明において、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂からなる絶縁体に上記コニカル構造を誘起させることを特徴とする。

【0012】

請求項４記載の電磁波の透過率制御方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記伝搬方向間の透過率の差分値を変化させることを特徴とする。

【0013】

請求項５記載の電磁波の透過率制御方法は、プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体に対して電磁波を伝搬させ、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記電磁波の透過率を変化させることを特徴とする。

【0014】

請求項６記載の電磁波の透過率制御方法は、請求項４又は５項記載の発明において、上記コニカル構造のスピン方向は、上記伝搬方向と略平行に印加する磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティは、上記伝搬方向に対して略垂直に印加する電場に応じて制御することを特徴とする。

【0015】

請求項７記載の電磁波の透過率制御デバイスは、プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体を備え、互いに異なる伝搬方向から上記絶縁体に伝播させる電磁波の透過率を当該伝搬方向間で互いに異ならせることを特徴とする。

【0016】

請求項８記載の電磁波の透過率制御デバイスは、請求項７記載の発明において、上記絶縁体は、上記コニカル構造のスピン方向に応じた伝搬方向で、かつ互いに１８０°異なる伝搬方向から伝搬する電磁波の透過率を、当該伝搬方向間で互いに異ならせることを特徴とする。

【0017】

請求項９記載の電磁波の透過率制御デバイスは、請求項７又は８記載の発明において、上記絶縁体は、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂であることを特徴とする。

【0018】

請求項１０記載の電磁波の透過率制御デバイスは、請求項７〜９のうち何れか１項記載の発明において、上記絶縁体は、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて上記伝搬方向間の透過率の差分値を変化させることを特徴とする。

【0019】

請求項１１記載の電磁波の透過率制御デバイスは、プロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造が誘起されている絶縁体を備え、上記絶縁体に伝搬させる電磁波を、上記コニカル構造のスピン方向、又は上記コニカル構造のスピンのカイラリティに応じて変化させることを特徴とする。

【0020】

請求項１２記載の電磁波の透過率制御デバイスは、請求項１０又は１１項記載の発明において、上記コニカル構造のスピン方向を上記伝搬方向と略平行に印加される磁場に応じて、上記コニカル構造のスピンのカイラリティを上記伝搬方向に対して略垂直に印加される電場に応じて、制御する手段を更に備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

上述した構成からなる本発明によれば、電磁波を整流素子中に伝搬させる上で、整流素子に負荷する外部磁場Ｈを制御し、或いは整流素子に負荷する電場Ｅを制御する。これにより、外部磁場Ｈが制御されることで、整流素子内のコニカル構造のスピン方向を制御することができ、電場Ｅが制御されることでコニカル構造のカイラリティが制御される。その結果、電磁波の整流素子における透過率を制御することが可能となる。

【0022】

また、上述した構成からなる本発明では、サイクロイド型スピン構造におけるエレクトロマグノンと比較して作製が容易で、入手しやすいプロパースクリュー磁気構造が誘起された絶縁体を、整流素子の材料として活用することができる。このため、本発明を高速通信用デバイスや各種センサ等に応用する場合においても、量産に関する社会的要請に応えることができる。

【0023】

また、本発明では、特に数百ＧＨｚ〜数ＴＨｚにも及ぶ超高帯域の電磁波についても、その透過率を制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイスの模式図である。

【図2】本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイスの具体的な構成例を示す図である。

【図3】（ａ）スピンの回転面５１と配列方向Ｗが垂直となるプロパースクリュー磁気構造について示す図であり、（ｂ）は、プロパースクリュー磁気構造に外部磁場Ｈを負荷した場合の例を示す図である。

【図4】整流素子を伝搬する電磁波M_AB、電磁波M_BAを模式的に示した図である。

【図5】強誘電分極ΔＰの方向に対する各電磁波の電場、磁場成分を示す図である。

【図6】強誘電分極ΔＰの方向に対する各電磁波の電場、磁場成分を示す他の図である。

【図7】電磁波M_AB、M_BAが照射された場合に生成する強誘電分極ΔＰや磁化Ｍを制御する点について説明するための図である。

【図8】Ａ側からＢ側へ伝搬する電磁波M_ABのみ、整流素子により透過率を制御する例について説明するための図である。

【図9】電磁波を整流素子に照射した場合における吸収係数の測定結果を示す図である。

【図10】電磁波M_ABを整流素子に照射した場合における吸収係数について外部磁場との関係において測定した結果を示す図である。

【図11】、各偏光成分について、電磁波を整流素子に照射した場合における吸収係数の測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイスの実施の形態について詳細に説明する。

【0026】

図１は、本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイス１の模式図であり、図２は、その具体的な構成例を示している。この電磁波の透過率制御デバイス１は、Ａ側、Ｂ側の間に配置された整流素子２とを備えている。

【0027】

透過率制御デバイス１は、整流素子２と、整流素子２に接続される電場制御部３及び磁場制御部４とを備えている。整流素子２を挟んで一端をＡ側が、他方側をＢ側とする。このとき、Ａ側からＢ側に向けて伝搬する電磁波を電磁波Ｍ_ABといい、Ｂ側からＡ側に向けて伝搬する電磁波を電磁波Ｍ_BAという。この電磁波Ｍ_ABの伝搬方向と電磁波Ｍ_BAの伝搬方向とは互いに相対する方向に、換言すれば１８０°異なる伝搬方向となるように、反平行の関係となるように伝搬させる。但し、係る場合に限定されるものではなく、電磁波Ｍ_ABの伝搬方向と電磁波Ｍ_BAの伝搬方向とが異なるものであれば、本発明を適用することができることは勿論である。

【0028】

整流素子２は、Ａ側からの電磁波Ｍ_ABが伝播してきた場合に、これをＢ側に伝搬させる上での整流を行う。また整流素子２は、Ｂ側からの電磁波Ｍ_BAが伝播してきた場合に、これをＡ側に伝搬させる上での整流を行う。

【0029】

電場制御部３は、図２に示すように、整流素子２の上端に設けられた電極３１と、下端に設けられた電極３２に接続される。この電場制御部３は、電極３１、３２間に電圧を印加することができる。また電場制御部３は、この電極３１、３２間に印加する電圧を具体的に制御することも可能となる。その結果、電場制御部３により制御された電場Ｅが、電極３１、３２間に負荷されることとなるが、当該電場の向きは、電磁波Ｍ_AB、Ｍ_BAの伝播方向に対して略垂直となるように設計されることとなる。

【0030】

磁場制御部４は、図２に示すように整流素子２の周囲において巻回されたコイル４１に接続される。この磁場制御部４は、コイル４１に通電することにより、当該コイル４１から外部磁場Ｈを負荷することができる。また磁場制御部４は、コイル４１に通電する電力を制御することにより、外部磁場Ｈを具体的に制御することも可能となる。コイル４１を介して負荷される外部磁場Ｈは、電場Ｅに対して略直交する方向であり、かつ電磁波Ｍ_AB、Ｍ_BAの伝播方向に対して略平行となるように設計されることとなる。

【0031】

整流素子２は、電気分極可能な絶縁体である。仮にこの整流素子２を金属等で構成した場合には、これに照射される電磁波が素子の表面で反射してしまうため、この整流素子２は、絶縁体で構成する。また整流素子２は、プロパースクリュー磁気構造が誘起されている。このプロパースクリュー磁気構造とは、隣り合ったスピンが互いに有限の角度を持って配列したノンコリニア磁気構造の１つである。プロパースクリュー磁気構造は、図３（ａ）に示すように、スピンの回転面５１と配列方向Ｗが垂直となっている。

【0032】

これに対して、このプロパースクリュー磁気構造に対して図３（ｂ）に示すように外部磁場Ｈを負荷した場合、この各スピンの方向は、印加された外部磁場Ｈにより支配される。図３（ｂ）の例では、外部磁場Ｈが紙面右方向に向けて印加された場合の例である。この印加された外部磁場Ｈの方向に向けてスピンが配列することとなる。逆に外部磁場Ｈが紙面左方向に向けて印加された場合には、当該方向に向けてスピンが配列することとなる。即ち、この外部磁場Ｈの方向を制御することにより、スピンの配列方向を制御することが可能となる。

【0033】

このような外部磁場Ｈが印加されると、プロパースクリュー磁気構造は、コーンの形状となる、いわゆるコニカル構造７へと変化する。このコニカル構造７では、スピンの回転面５１に対して、スピンがコーン形状となるように配列する。そして、スピンの方向が徐々に時計回りに向けて、又は反時計回りに向けてシフトしている。即ち、図３（ｂ）に示すように、スピンが外部磁場Ｈの方向に向けてそれぞれ位置ｋ、ｌ、ｍと整列している場合において、位置ｋからｍに向けてスピンの方向は徐々に時計回りに向けてシフトして固定されている。一方、反時計回りにシフトする場合も同様に、スピンが外部磁場Ｈの方向に向けてそれぞれ位置ｋ、ｌ、ｍと整列している場合において、位置ｋからｍに向けてスピンの方向は徐々に反時計回りに向けてシフトして固定されている。

【0034】

以下、時計回りに向けてシフトするか、或いは反時計回りにシフトするかを示すものを、いわゆるカイラリティという。このようなカイラリティを持つ物質では、マグネトカイラル効果を発現する。このマグネトカイラル効果とは、磁化が誘起されたカイラルな物質に生じ、磁化の方向やカイラリティ、光の進行方向に依存して吸収係数が変化する現象であるが、時計回りのスピン、反時計回りのスピンが共存している場合には、マグネトカイラル効果が互いに打ち消しあってしまう。しかしながら、スピンを時計回り、反時計回りの何れにシフトさせるかが、上述した強誘電分極の正負に支配されることを利用することにより、電場を印加することで、そのカイラリティ自体を制御することが可能となる。

【0035】

本発明では、上述したコンセプトの下で、外部磁場Ｈと強誘電分極Ｐを制御することで、マグネトカイラル効果そのものを制御する。即ち、整流素子２にプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７を誘起させ、これに対して印加すべき外部磁場Ｈと強誘電分極Ｐを制御する。その結果、プロパースクリュー磁気構造によるマグネトカイラル効果そのものがコントロールされる。そして、このコントロールされたプロパースクリュー磁気構造におけるマグネトカイラル効果を活用することで、これが誘起されている整流素子２に伝搬させる電磁波の透過率を変化させる。

【0036】

ちなみに、このコニカル構造７は、上述したように外部磁場Ｈを印加することにより初めて絶縁体中に生成される場合もあれば、外部磁場Ｈを印加しなくても、当初から絶縁体中において生成されている場合もある。本発明では、プロパースクリュー磁気構造が形成されている絶縁体に対して、外部磁場Ｈを印加することで意図的にコニカル構造７を生成して、これを整流素子２として活用するようにしてもよいし、当初からプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７が誘起されている絶縁体を探し出してこれを整流素子２として活用するようにしてもよい。また当初からコニカル構造７が誘起されていなくても、外部磁場以外の電場や温度条件を制御することでこれを意図的に誘起させるようにしてもよい。

【0037】

整流素子２を構成する絶縁体としては、例えば、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂（例えばｘ＝0.035）を７．１Ｋ以下まで冷却するようにしてもよい。これにより、プロパースクリュー磁気構造においてヘリカルなコニカル構造７を生成することが可能となる。また、この絶縁体の他の例としては、例えばヘキサフェライトにおける(Ba₂Mg₂Fe₁₂O₂₂, Sr₃Co₂Fe₂₄O₂₁）、スピネルにおける(ZnCr₂Se₄)、ランガサイトにおける(Ba₃NbFe₃Si₂O₁₄)、CsCuCl₃、MnI₂, NiI₂、MnO₂等がある。

【0038】

ちなみに、このスピンの方向を時計回りにシフトさせるか、反時計回りにシフトさせるかは、強誘電分極Ｐの正負に依存する。

【0039】

上述した構成からなる透過率制御デバイス１の動作について説明をする。

【0040】

透過率制御デバイス１は、Ａ側からＢ側に向けて伝搬される電磁波M_ABと、Ｂ側からＡ側に向けて伝搬される電磁波M_BAをそれぞれ伝搬させる場合において、所期の機能を発現させるものである。通常であれば、電磁波M_AB、電磁波M_BAの何れを伝搬させても透過率は原理的に同一となる。これに対し、本発明を適用した透過率制御デバイス１における整流素子２に対してこのような電磁波M_AB、電磁波M_BAを伝搬させた場合、電磁波M_ABの透過率Ｓ_ABと、電磁波M_BAの透過率Ｓ_BAとを互いに異ならせることが可能となる。

【0041】

実際にこれら電磁波M_AB、M_BAを整流素子２に対して伝搬させることにより、整流素子２において誘起されているプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７と、各電磁波の振動磁場成分とが相互作用を引き起こすことで、いわゆる動的ＭＥ効果（マグネトカイラル効果）を引き起こし、これに基づく電磁波の吸収特性を発揮させる。

【0042】

図４は、この電磁波M_AB、電磁波M_BAを模式的に示した図である。電磁波M_ABの進行方向をｋ₁とし、その電場Ｅ₁、磁場をＨ₁とする。電磁波M_BAの進行方向をｋ₂とし、その電場Ｅ₂、磁場Ｈ₂とする。このように整流素子２に入射する電磁波M_AB、電磁波M_BAは、互いに磁場Ｈ₁、Ｈ₂の方向が同一方向であったとしても、電場Ｅ₁、Ｅ₂の方向が互いに異なるものとなる。逆に電場Ｅ₁、Ｅ₂の方向を同一方向に揃えた場合には、磁場Ｈ1、Ｈ₂の方向は互いに異なる方向となる。本発明では、このような整流素子２に入射される電磁波M_AB、電磁波M_BAについて電場、磁場の方向の差異により、整流素子２中に誘起されたコニカル構造７と関係において電磁波M_AB、電磁波M_BA間のマグネトカイラル効果の差異を発現させる。

【0043】

具体的には、電磁波M_BAを整流素子２に入射させた場合、微視的には、図５に示すように整流素子２内部に誘起されているプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７に到達する。コニカル構造７における各スピンが電磁波M_BAの進行方向ｋ₂に対して逆方向に向けて配列しているものとする。このとき、各スピンには、電磁波M_BAにおける磁場Ｈ₂が更に負荷されることになるため、当該磁場Ｈ₂の振動の方向に応じて、各スピン自体が振動することになる。その結果、このコニカル構造７は、磁場Ｈ₂の方向に応じて磁化され、磁化成分ΔＭを持つこととなる。その磁化ΔＭの方向に応じてコニカル構造７も当然傾くこととなる。その結果、電磁波M_BAによる磁場Ｈ₂が負荷される前には、コニカル構造７自体の強誘電分極Ｐが０であったのに対し、磁場Ｈ₂による各スピンの振動、ひいては磁化ΔＭの方向に応じたコニカル構造７の傾きに応じて、コニカル構造７のカイラリティ自体が変化し、電気分極ΔＰ（≠０）が発生する。

【0044】

この電気分極ΔＰの方向が図５に示すように電磁波M_BAの電場Ｅ₂の方向と同一である場合、プロパースクリュー磁気構造のスピンとの間で互いに共鳴することとなる。その結果、電磁波M_BAの電場Ｅ₂に基づくエネルギーは、これと同一方向の強誘電分極ΔＰを生成するカイラリティを持つコニカル構造７に吸収される。このため、電磁波M_BAは、コニカル構造７にそのエネルギー吸収される結果、整流素子２を通過する過程で透過率が減少することとなる。

【0045】

なお、この電気分極ΔＰが発生する過程では、電磁場M_BAの持つ磁場Ｈ₂の振動のみならず、電磁場M_BAの持つ電場Ｅ₂が、直接的に電気分極ΔＰを誘発させるたに作用する場合もある。

【0046】

これに対して、上述と全く同一のプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７が配列された整流素子２に対して、電磁波M_ABを整流素子２に入射させた場合、微視的には、図５に示すように整流素子２内部に誘起されているプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７に到達する。コニカル構造７における各スピンが電磁波M_ABの進行方向ｋ₁に向けて配列しているものとする。このとき、各スピンには、電磁波M_ABにおける磁場Ｈ₁が更に負荷されることになる。この磁場Ｈ₁の方向は、磁場Ｈ₂の方向と同一であるが、当該磁場Ｈ₁の振動の方向に応じて、各スピン自体が振動することになる。

【0047】

その結果、このコニカル構造７は、磁場Ｈ₁の方向に応じて磁化され、磁化成分ΔＭを持つこととなる。その磁化ΔＭの方向に応じてコニカル構造７も当然傾くこととなる。その結果、電磁波M_ABによる磁場Ｈ₁が負荷される前には、コニカル構造７自体の強誘電分極Ｐが０であったのに対し、磁場Ｈ₁による各スピンの振動、ひいては磁化ΔＭの方向に応じたコニカル構造７の傾きに応じて、コニカル構造７のカイラリティ自体が変化し、電気分極ΔＰ（≠０）が発生する。

【0048】

この電気分極ΔＰの方向が図５に示すように電磁波M_ABの電場Ｅ₁の方向と異なるものである場合、プロパースクリュー磁気構造のスピンとの間で互いに共鳴が無くなる。その結果、電磁波M_ABの電場Ｅ₁に基づくエネルギーは、これと同一方向の電気分極ΔＰを生成するカイラリティを持つコニカル構造７に吸収されることなく、そのまま通過する。このため、電磁波M_ABは、コニカル構造７にそのエネルギー吸収されないため、整流素子２を通過する過程で透過率が減少することはなくなる。

【0049】

このように、全く同一のプロパースクリュー磁気構造に基づくコニカル構造７が配列された整流素子２に対しても、電磁波M_AB、M_BAのように照射する方向が互いに略１８０°異なる場合には、全く異なる吸収特性を示す。その結果、整流素子２により、電磁波M_AB、M_BA間で透過率を互いに変化させる、いわゆる方向二色性を発現させることが可能となる。

【0050】

仮に、このコニカル構造７について、磁場制御部４により外部磁場Ｈを図６に示すように電磁波M_BAの伝搬方向ｋ₂と同一方向となるように印加することで、当該コニカル構造７は、そのコーン形状を構成するスピンが外部磁場Ｈの方向に向けて反転した状態で配列することになる。

【0051】

このような状態に制御された整流素子２に対して、電磁波M_BAを整流素子２に入射させた場合には、各スピンには、同様に電磁波M_BAにおける磁場Ｈ₂の方向に応じて磁化され、磁化成分ΔＭを持つこととなり、コニカル構造７も当然傾くこととなる。その結果、強誘電分極ΔＰ（≠０）が発生する。

【0052】

この強誘電分極ΔＰの方向が図６に示すように電磁波M_BAの電場Ｅ₂の方向と異なるものであるため、電磁波M_BAの電場Ｅ₂に基づくエネルギーは、これに吸収されることなく、そのまま通過する。その結果、電磁波M_BAは、整流素子２を通過する過程で透過率が特段減少しない。

【0053】

これに対して、電磁波M_ABを整流素子２に入射させた場合においても同様に、各スピンには、同様に電磁波M_ABにおける磁場Ｈ₁の方向に応じて磁化され、磁化成分ΔＭを持つこととなり、コニカル構造７も当然傾くこととなる。その結果、コニカル構造７のカイラリティ自体が変化し、強誘電分極ΔＰ（≠０）が発生する。

【0054】

この強誘電分極ΔＰの方向が図６に示すように電磁波M_ABの電場Ｅ₁の方向と同一であるため、電磁波M_ABの電場Ｅ₁に基づくエネルギーは、これに吸収される。その結果、電磁波M_ABは、整流素子２を通過する過程で透過率が減少する。

【0055】

このようにして、外部磁場Ｈを印加することにより、コニカル構造７を構成するスピンの向きを制御することができる。このスピンの向きが、各電磁波M_AB、M_BAの整流素子２の透過特性に影響を及ぼすことを利用し、電磁波M_AB、M_BA間の方向二色性を制御することも可能となる。

【0056】

また整流素子２に対して、電場制御部３により電場を印加することにより、整流素子２内のコニカル構造７のカイラリティを制御することもできる。即ち、電極３１、３２間に負荷される電場の向きを電場制御部３を介して制御する。これにより、コニカル構造７のカイラリティを時計回りとするか、或いは反時計回りとするかを自在に制御することができる。コニカル構造７のカイラリティを制御することで、図７に示すように電磁波M_AB、M_BAが照射された場合に生成する強誘電分極ΔＰや磁化Ｍを制御することができる。

【0057】

図７の例では、強誘電分極ΔＰの向きを時計回りとした場合には、これと同一方向の電場Ｅ₂成分を持つ電磁波M_BAと共鳴して、これを吸収することで透過率を低下させることができる。また、強誘電分極ΔＰの向きを時計回りとした場合には、これと異なる電場Ｅ₁成分を持つ電磁波M_ABと共鳴せず、これを吸収することはないため、透過率は特段低下しない。強誘電分極ΔＰの向きを反時計回りとした場合には、これと同一方向の電場Ｅ₁成分を持つ電磁波M_ABと共鳴して、これを吸収することで透過率を低下させることができる。また、強誘電分極ΔＰの向きを反時計回りとした場合には、これと異なる電場Ｅ₂成分を持つ電磁波M_BAと共鳴せず、これを吸収することはないため、透過率は特段低下しない。

【0058】

このようにして、外部から電場Ｅを印加することにより、コニカル構造７を構成するスピンのカイラリティを制御することができる。このカイラリティが、各電磁波M_AB、M_BAの整流素子２の透過特性に影響を及ぼすことを利用し、電磁波M_AB、M_BA間の方向二色性を制御することも可能となる。

【0059】

なお、本発明では、互いに１８０°異なる伝搬方向から整流素子２中を伝搬する電磁波M_AB、M_BAを例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、電磁波M_AB、M_BAの伝搬方向が１８０°からずれる場合も上述とほぼ同様の効果が期待できる。

【0060】

また、上述した実施の形態では、コニカル構造７のスピン方向（又はその和）が、電磁波M_AB、M_BAの進行方向と平行又は反平行となっている場合を例にとり説明をした。電磁波M_AB、M_BA間の方向二色性は、かかる場合に最も好適に発現させることが可能となるが、コニカル構造７のスピン方向（又はその和）と、電磁波M_AB、M_BAの伝搬方向とが平行でない場合であっても、方向二色性をある程度発現させることは可能となる。但し、コニカル構造７のスピン方向と、電磁波M_AB、M_BAの伝搬方向が直交する場合は殆ど方向二色性は発現しないため、電磁波M_AB、M_BAの伝搬方向は、コニカル構造７のスピン方向にある程度対応していることが望ましい。

【0061】

また、本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイス１は、伝搬方向の異なる電磁波M_AB、M_BA間で方向二色性を発現させるためのデバイスに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、Ａ側からＢ側へ伝搬する電磁波M_ABのみ、整流素子２により透過率を制御する透過率制御デバイス１´に応用するようにしてもよい。この図８に示すデバイス透過率制御デバイス１´において、上述したデバイス透過率制御デバイス１と同一の構成要素、部材に関しては、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。

【0062】

このデバイス透過率制御デバイス１´では、電磁波M_ABを整流素子２に伝搬させる上で、上述と同様に、磁場制御部４により整流素子２に負荷する外部磁場Ｈを制御し、或いは電場制御部３により整流素子２に負荷する電場Ｅを制御する。これにより、外部磁場Ｈが制御されることで、整流素子２内のコニカル構造７のスピン方向を制御することができ、電場Ｅが制御されることでコニカル構造７のカイラリティが制御される。その結果、電磁波M_ABの整流素子２における透過率を制御することが可能となる。

【0063】

上述した構成からなる本発明では、エレクトロマグノンと比較して作製が容易で、入手しやすいプロパースクリュー磁気構造が誘起された絶縁体を、整流素子２の材料として活用することができる。このため、本発明を高速通信用デバイスや各種センサ等に応用する場合においても、量産に関する社会的要請に応えることができる。

【0064】

また、本発明では、特に数百ＧＨｚ〜数ＴＨｚにも及ぶ超高帯域の電磁波についても、その透過率を制御することが可能となる。

【実施例1】

【0065】

以下、本発明を適用した電磁波の透過率制御デバイス１の実施例について説明をする。上述した透過率制御デバイス１の効果を確認するため、以下の検証実験を行った。

【0066】

この検証実験では、図２に示すように整流素子２を配置して電磁波M_AB、M_BAの何れか、又は両方を伝搬させ、それぞれの透過率を測定した。その透過率を測定する過程で、磁場制御部４により整流素子２に印加する外部磁場Ｈを制御し、電場制御部３により整流素子２に印加する電場Ｅを制御した。ちなみに、実験で使用した整流素子２を構成する絶縁体は、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂（ｘ＝0.035）を７．１Ｋ以下まで冷却してプロパースクリュー磁気構造を誘起させたものを使用している。

【0067】

図９は、電磁波M_ABを整流素子２に照射した場合における吸収係数の測定結果を示している。横軸は周波数（ＧＨｚ）としており、縦軸は整流素子２における吸収係数としている。図９（ａ）に示すように、外部磁場Ｈとして正磁場、負磁場を負荷した場合において、吸収係数は互いに大きな差異として現れている。また図９（ｂ）に示すように、電場Ｅを制御することで、コニカル構造７のカイラリティを時計回り、反時計回りにそれぞれ制御した場合においても、吸収係数は互いに大きな差異として現れている。

【0068】

図１０は、電磁波M_ABを整流素子２に照射した場合における吸収係数の測定結果を示している。横軸はエネルギー（ｍｅＶ）であり、縦軸は、何れも整流素子２における吸収係数としている。整流素子２は、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂（ｘ＝0.035）を４．６Ｋまで冷却してプロパースクリュー磁気構造を誘起させ、いずれも時計回りのカイラリティを持たせている。この図１０の実施例では、磁場の強さを３Ｔ、５Ｔ、７Ｔの場合について、吸収係数の測定をそれぞれ行っている。その結果、磁場の強さを高くするにつれて、正磁場と負磁場との間における吸収係数の差異が大きくなることが示されていた。

【0069】

図１１は、各偏光成分について、電磁波M_ABを整流素子２に照射した場合における吸収係数の測定結果を示している。横軸はエネルギー（ｍｅＶ）であり、縦軸は、何れも整流素子２における吸収係数としている。整流素子２は、Ｃｕ₂Ｆｅ_1-xＧａ_xＯ₂（ｘ＝0.035）を４．６Ｋまで冷却してプロパースクリュー磁気構造を誘起させ、いずれも時計回りのカイラリティを持たせている。この図１１（ａ）の例と図１１（ｂ）の例との間で、直線偏光の方向を９０°ずらしている。

【0070】

これらの結果から、何れの偏光方向においても、正磁場と負磁場との間における吸収係数の差異が明確に現れている。このため、本発明では、偏光方向に依存することなく、整流素子２における透過率を変化させることが可能となることが示されている。

【符号の説明】

【0071】

１ 透過率制御デバイス
２ 整流素子
３ 電場制御部
４ 磁場制御部
７ コニカル構造
３１ 電極
３２ 電極
４１ コイル
５１ 回転面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】