JP4660221B2

JP4660221B2 - 局所的巨大磁場発生装置

Info

Publication number: JP4660221B2
Application number: JP2005033877A
Authority: JP
Inventors: 光太郎椿
Original assignee: 学校法人東洋大学
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-02-10
Also published as: JP2006222246A

Description

この出願の発明は、局所的巨大磁場発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、ナノメーター程度の微小な領域にサブＴ（テスラ）程度の巨大な磁場を発生させることができる新規な局所的巨大磁場発生装置に関するものである。

従来より、導体に通電して磁場を発生させる装置では、導線を巻回して多数の巻線数を持つコイルを作製し、コイル中空部に磁性体を挿入して磁場を増幅する方法が一般に用いられている。これは、一本の直線状の導線に通電した場合、ビオ・サバールの法則［下記式（１）］にしたがい、極めて小さな磁場しか発生しないためである。

ここで、Ｂは点Ｐでの磁束密度、Ｉは電流値、ｄｌは導線上のある点Ｏの微小長さ、ｒはある点Ｏから磁場が加わる点Ｐまでの距離、θはｄｌと線分ＯＰとのなす角度である。

また、超伝導導線を利用して導線に大電流を流して磁場を発生させる装置も使用されている。

ところが、サブＴ程度の大磁場を発生させるためには大掛かりな仕組みが必要となり、このような巨大磁場を一般に利用するのに大きな障害になっている。

一方、最近、量子コンピュータ作製のため微小領域に磁場を印加する要求が出されている。たとえば、非特許文献１では、量子コンピュータを構成するために強磁性体のマイクロマグネット（長さ４００μｍ、幅４０μｍ、高さ１０μｍ）を用いて大きな磁場勾配（Ｔ／μｍ程度）を得ている。
T. D. Ladd et al., Phys. Rev. Lett. 89, 17901 (2002) ［特開２００３−２６０７００号公報に対応］

しかしながら、Ｔ程度の残留磁化を持つ微小寸法の強磁性体の作製は、加工精度程度の表面の凹凸が発生する磁場に大きな影響を与えるために困難である。量子コンピュータは今後さらに各素子が微細化することが予想され、巨大磁場の大きさ、印加場所をナノメーター・サイズの制御性を持って制御することはさらに困難性をもたらす。

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、ナノメーター程度の微小な領域にサブＴ程度の巨大な磁場を印加させることができる局所的に巨大磁場発生装置を提供することを課題とする。

この出願の発明は、上記課題を解決するものとして、第１には、一定距離だけ離間させて平行配置された、同形状で半径が１〜５ｎｍ、長さが３〜１０μｍの一対のカーボンナノチューブからなる導線と、各導線に取り付けられた電極と、各導線に大きさが０．０１〜１ｍＡの電流を供給する電源を備え、導線間の距離が１０〜１０００ｎｍであり、各導線に互いに反対方向となるように電流を供給し、一対の導線間の微小領域に０．５Ｔまでの磁界を発生させることを特徴とする局所的巨大磁場発生装置を提供する。

また、第２には、一定距離だけ離間させて平行配置された、同形状で半径が１〜５ｎｍ、長さが３〜１０μｍの一対のカーボンナノチューブからなる導線と、各導線に取り付けられた電極と、各導線に大きさが０．０１〜１ｍＡの電流を供給する電源を備え、導線間の距離が１０〜１０００ｎｍであり、各導線に互いに同方向となるように電流を供給し、一対の導線間の微小領域に−０．５×１０⁶Ｔ／ｍから０．５×１０⁶Ｔ／ｍまで最大１．０×１０⁶Ｔ／ｍ変化する磁場勾配を発生させることを特徴とする局所的巨大磁場発生装置を提供する。

この出願の発明によれば、上記構成を採用したので、従来より使われてきた巻線化、強磁性体挿入、超伝導線利用という技術を用いることなく、ナノメーター程度の微小な領域にサブＴ程度の巨大な磁場を発生させることが可能となる。これにより、今後さらに素子が微細化することが予想される量子コンピュータやナノアクチュエータ等のナノデバイスにおける磁場発生手段としての利用が期待される。

また、この出願の発明によれば、一対の導線に同方向に電流を流すことにより、その間の領域に極めて大きな磁場勾配を発生させることができ、このような大きな磁場勾配をナノデバイスに有効利用することが期待できる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

図１はこの出願の発明による一実施形態の局所的巨大磁場発生装置を模式的に示す図である。

この実施形態の磁場発生装置（１）は、長さ及び径が等しい同形状の一対の導線（２）、（３）を一定距離だけ離間させて平行配置される。導線（２）、（３）の両端にはそれぞれ電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）が取り付けられている。電源（６）から電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）を介して導線（２）、（３）に電流が供給される。導線（２）と導線（３）とでは、電流の流れる方向が反対となっている。導線（２）と導線（３）の間の微小領域（７）が巨大磁場が発生する領域である。（８ａ）、（８ｂ）、（９ａ）、（９ｂ）はリード線である。

導線（２）、（３）の形状は、円柱状、円筒状、楕円柱状等の各種形状とすることができる。

導線（２）、（３）の径は、１〜５ｎｍであることが好ましい。径が上記範囲より小さいと導線（２）、（３）の作製は困難であり、径が上記範囲より大きくなると所要強度の磁界を得ることができなくなる。

導線（２）、（３）の長さは、３〜１０μｍであることが好ましいが、これに限定されない。このような範囲の長さの導線（２）、（３）であれば、量子コンピュータやナノアクチュエータ等のナノデバイスにおいて磁場が必要な微小領域（７）をカバーすることができる。

導線（２）、（３）の離間距離は、１０〜１０００ｎｍであることが好ましいが、これに限定されない。このような範囲の離間距離であれば、量子コンピュータやナノアクチュエータ等のナノデバイスにおいて磁場が必要な微小領域（７）をカバーすることができる。

導線（２）、（３）に供給する電流の大きさは０．０１〜１ｍＡであることが好ましい。電流値が上記範囲より小さすぎると所要強度の磁場を発生することができなくなり、電流値が上記範囲より大きすぎると発熱により導線（２）、（３）がダメージを受けるおそれがある。このような電流値の範囲の電流を供給する電源（６）は市販のものを利用することができる。

この実施形態の磁場発生装置（１）では、発生する磁界は０．５Ｔ程度までの強度となることが好ましく、少なくともその最大値は０．１Ｔ以上となることが望ましい。このような範囲の磁界強度の磁場であれば、適用されるナノデバイスで要求される条件を満たしたものとなる。

導線（２）、（３）としては、たとえば金属カーボンナノチューブや金属や半導体をドープしたカーボンナノチューブ、半導体や金属のナノワイヤ等を用いることができる。

電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）を導線（２）、（３）に取り付ける方法としては、たとえば電極作製後、Ｆｅ、Ｎｉ等の触媒を所定の場所に置き、原料元素を含むガスによる気相成長法のような方法を用いることができる。また、これら電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）の材料としてはＡｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属等を用いることができる。

リード線（８ａ）、（８ｂ）；（９ａ）、（９ｂ）を電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）に取り付ける方法としては、たとえば通常の極微細加工で用いられるような方法を用いることができる。

導線（２）、（３）の所定の位置への固定は、たとえば触媒からナノチューブやナノワイヤが成長する性質により、触媒を指定した場所に置くことにより行うことができる。

上記のような構成の磁場発生装置（１）によれば、電源（６）より所定電流値の直流電流を、電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）を介して一対の導線（２）、（３）に供給することにより、両導線（２）、（３）から発生する磁界が重畳して両導線間の微小領域（７）にサブＴの強度の磁界を発生させることができる。

また、この出願の発明によれば、図１の構成において、一対の導線（１）、（２）に同方向に電流を流すことにより、一対の導線（１）、（２）間の微小領域に−０．５×１０⁶Ｔ／ｍから０．５×１０⁶Ｔ／ｍまで最大１．０×１０⁶Ｔ／ｍ変化する磁場勾配を発生させることが可能となる。

この出願の発明によれば、図２に示すように、図１で電極（４ｂ）、（５ａ）であったところを導線（１０）で接続して、リード線（１０）、（１１）を図示のように接続することにより磁場発生装置（１’）を構成することもできる。

この場合、導線（１０）としては、磁場発生装置（１）と同じものを用いることができる。また、導線（１０）を導線（２）、（３）に接続する方法も、磁場発生装置（１）と同じ方法を用いることができる。

また、この出願の発明によれば、電源（６）として周波数の高い（たとえば１０ＧＨｚ程度）の交流電源を使用し、一対の導線（２）、（３）に交流電流を供給すれば、微小領域（７）に巨大交流磁場を発生されることができる。

以下、実施例によりこの出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は上記の実施形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

半径１ｎｍ、長さ５μｍの２本のカーボンナノチューブを導線（２）、（３）として用い、互いに平行となるように距離２０ｎｍ離間させて配置した。電極電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）はＡｕを電子ビーム露光により場所を限定して真空蒸着法にて取り付けた。また、リード線（８ａ）、（８ｂ）；（９ａ）、（９ｂ）も同様な方法で電極（４ａ）、（４ｂ）；（５ａ）、（５ｂ）に取り付けた。電源（６）としては通常の直流電源を用いた。両導線間に幅２０ｎｍ、長さ３μｍの微小領域（７）が形成された。

導線（２）、（３）に０．１ｍＡの電流を流したところ、０．０２Ｔの強度の磁場が発生した。

また、電流を同方向に流した場合は両導線（２）、（３）間に０．５×１０⁶Ｔ／ｍの大きな磁場勾配が形成された。

以上により、ナノメーター程度の微小な領域にサブＴ程度の巨大な磁場を印加させることができることが確認された。

この出願の発明による一実施形態の局所的巨大磁場発生装置の構成を模式的に示す図である。この出願の発明による別の実施形態の局所的巨大磁場発生装置の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１、１’ 磁場発生装置
２、３導線
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ電極
６電源
７微小領域
８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０、１１リード線

Claims

一定距離だけ離間させて平行配置された、同形状で半径が１〜５ｎｍ、長さが３〜１０μｍの一対のカーボンナノチューブからなる導線と、
各導線に取り付けられた電極と、
各導線に大きさが０．０１〜１ｍＡの電流を供給する電源を備え、
導線間の距離が１０〜１０００ｎｍであり、
各導線に互いに反対方向となるように電流を供給し、一対の導線間の微小領域に０．５Ｔまでの磁界を発生させることを特徴とする局所的巨大磁場発生装置。
一定距離だけ離間させて平行配置された、同形状で半径が１〜５ｎｍ、長さが３〜１０μｍの一対のカーボンナノチューブからなる導線と、
各導線に取り付けられた電極と、
各導線に大きさが０．０１〜１ｍＡの電流を供給する電源を備え、
導線間の距離が１０〜１０００ｎｍであり、
各導線に互いに同方向となるように電流を供給し、一対の導線間の微小領域に−０．５×１０⁶Ｔ／ｍから０．５×１０⁶Ｔ／ｍまで最大１．０×１０⁶Ｔ／ｍ変化する磁場勾配を発生させることを特徴とする局所的巨大磁場発生装置。