JP6249439B2 - Electromagnetic wave transmittance control method, electromagnetic wave transmittance control device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an electromagnetic wave transmittance control method and an electromagnetic wave transmittance control device suitable for performing rectification between the propagation directions by controlling the transmittance of electromagnetic waves propagated from different propagation directions. .
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。 In recent years, multiferroic materials in which a plurality of macroscopic ordered structures related to the spin and electric polarization of electrons in the materials appear have attracted attention. This multiferroic material exhibits novel physical properties such as a change in magnetic order due to an electric field and a change in directionality of electric polarization due to a magnetic field. For this reason, application of multiferroic materials to new types of devices that control dielectric polarization by a magnetic field and magnetization by an electric field is also expected.
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。)。 Particularly in recent years, it has become clear that in multiferroic materials, the electromagnetic effect (ME effect), which is a magnetic and dielectric coupling effect, exhibits a remarkably large response in both static and dynamic aspects. For example, in a perovskite-type manganese oxide RMnO 3 (R: rare earth element) which is a typical multiferroic material, ferroelectric polarization based on a cycloid-type spin structure has been observed (see, for example, Non-Patent Document 1). ).
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。)。 As a dynamic ME effect as a dynamic response, it has already been verified that electromagnon, which is a spin wave responding to an electric field, appears in the terahertz region (see, for example, Non-Patent Document 2).
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。 In addition, an optical response peculiar to the dynamic ME effect called directional dichroism has been observed for the above-described electromagnon (see, for example, Non-Patent Document 3). This directional dichroism refers to a phenomenon in which the transmittance of electromagnetic waves changes depending on the direction of light propagating in a substance. The direction in which the absorption of the electromagnetic wave increases can also be controlled by the magnetic properties and electrical properties of the substance. Unlike the Faraday effect in which only circularly polarized light exhibits dichroism, such a phenomenon can be applied to linearly polarized light, and thus can be expected to have a wide range of applications as an optical element. In addition, by using this electromagnon, the direction dichroism and the transmittance of electromagnetic waves can be similarly controlled for electromagnetic waves composed of high frequencies of several hundred GHz to THz. Therefore, it can be expected to be applied to future high-speed communication in such a high-frequency band, simple sensors for substances mainly organic substances, and the like.
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。 However, this electromagnon has a severe condition for suitably inducing it, and materials for which this is preferably induced in advance are rare. For this reason, there was a problem that it was not possible to meet the above-mentioned social demands related to mass production of high-speed communication devices and simple sensors.
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。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to have mass productivity in controlling the transmittance of electromagnetic waves having a high frequency of several hundred GHz to THz. An object of the present invention is to provide an electromagnetic wave transmittance control device that is excellent in productivity in consideration, and an electromagnetic wave transmittance control method using the same.
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。
The electromagnetic wave transmittance control method according to
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。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the electromagnetic wave transmittance control method according to the first aspect, wherein the electromagnetic wave propagates in the insulator in a propagation direction corresponding to a spin direction of the conical structure and from a propagation direction different from each other by 180 °. The transmittance is different between the propagation directions.
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、Cu2Fe1-xGaxO2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。
The electromagnetic wave transmittance control method according to
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。
The electromagnetic wave transmittance control method according to
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。 The electromagnetic wave transmittance control method according to claim 5, wherein the electromagnetic wave is propagated to an insulator in which a conical structure based on a proper screw magnetic structure is induced, and the spin direction of the conical structure or the spin of the conical structure is controlled. The transmittance of the electromagnetic wave is changed in accordance with the chirality.
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。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the electromagnetic wave transmittance control method according to the fourth or fifth aspect, wherein the spin direction of the conical structure depends on a magnetic field applied substantially parallel to the propagation direction. The chirality of the spin is controlled according to an electric field applied substantially perpendicular to the propagation direction.
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。
The electromagnetic wave transmittance control device according to
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。
An electromagnetic wave transmittance control device according to claim 8 is the electromagnetic wave propagation device according to
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、Cu2Fe1-xGaxO2であることを特徴とする。 An electromagnetic wave transmittance control device according to a ninth aspect is characterized in that, in the invention according to the seventh or eighth aspect, the insulator is Cu 2 Fe 1-x Ga x O 2 .
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。
The electromagnetic wave transmittance control device according to claim 10 is the invention according to any one of
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。 The electromagnetic wave transmittance control device according to claim 11 includes an insulator in which a conical structure based on a proper screw magnetic structure is induced, and transmits an electromagnetic wave propagating to the insulator in a spin direction of the conical structure or the conical structure. It is characterized by changing according to the chirality of the spin of the structure.
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。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the electromagnetic wave transmittance control device according to the tenth or eleventh aspect, wherein the conical structure has a spin direction according to a magnetic field applied substantially parallel to the propagation direction. The apparatus further comprises means for controlling the chirality of the spin according to an electric field applied substantially perpendicular to the propagation direction.
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。 According to the present invention configured as described above, the external magnetic field H loaded on the rectifying element is controlled or the electric field E loaded on the rectifying element is controlled in propagating the electromagnetic wave into the rectifying element. Thereby, the spin direction of the conical structure in the rectifying element can be controlled by controlling the external magnetic field H, and the chirality of the conical structure is controlled by controlling the electric field E. As a result, the transmittance of the electromagnetic wave rectifying element can be controlled.
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。 Further, in the present invention having the above-described configuration, an insulator in which a proper screw magnetic structure that is easy to manufacture and easily obtainable is used as a material for a rectifying element, as compared with an electromagnon in a cycloid spin structure. Can do. For this reason, even when the present invention is applied to a high-speed communication device, various sensors, and the like, it is possible to meet social demands related to mass production.
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。 Further, in the present invention, it is possible to control the transmittance of electromagnetic waves in an ultrahigh band, particularly extending to several hundred GHz to several THz.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an electromagnetic wave transmittance control device to which the present invention is applied will be described in detail.
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。
FIG. 1 is a schematic diagram of an electromagnetic wave
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MABといい、B側からA側に向けて伝搬する電磁波を電磁波MBAという。この電磁波MABの伝搬方向と電磁波MBA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MABの伝搬方向と電磁波MBA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。
The
整流素子2は、A側からの電磁波MAB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MBA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。
When the electromagnetic wave MAB from the A side has propagated, the rectifying
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MAB、MBA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。
As shown in FIG. 2, the electric
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MAB、MBA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。
The magnetic
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。
The rectifying
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。 On the other hand, when an external magnetic field H is applied to the proper screw magnetic structure as shown in FIG. 3B, the direction of each spin is governed by the applied external magnetic field H. In the example of FIG. 3B, the external magnetic field H is applied in the right direction on the paper surface. Spins are arranged in the direction of the applied external magnetic field H. On the contrary, when the external magnetic field H is applied in the left direction on the paper, the spins are arranged in the direction. That is, by controlling the direction of the external magnetic field H, the spin arrangement direction can be controlled.
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。
When such an external magnetic field H is applied, the proper screw magnetic structure changes to a so-called
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。 Hereinafter, what indicates whether to shift clockwise or counterclockwise is referred to as so-called chirality. A substance having such chirality exhibits a magnetochiral effect. This magneto-chiral effect is a phenomenon that occurs in a chiral substance in which magnetization is induced, and the absorption coefficient changes depending on the direction of magnetization, chirality, and the direction of travel of light. If the spins coexist, the magnetochiral effects cancel each other. However, the chirality itself can be controlled by applying an electric field by utilizing the fact that whether the spin is shifted clockwise or counterclockwise is governed by the positive and negative of the ferroelectric polarization described above. Is possible.
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。
In the present invention, the magneto-chiral effect itself is controlled by controlling the external magnetic field H and the ferroelectric polarization P under the above-described concept. That is, the
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。
Incidentally, the
整流素子2を構成する絶縁体としては、例えば、Cu2Fe1-xGaxO2(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。
As an insulator constituting the rectifying
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。 Incidentally, whether the spin direction is shifted clockwise or counterclockwise depends on the sign of the ferroelectric polarization P.
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。
An operation of the
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MABと、B側からA側に向けて伝搬される電磁波MBA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MAB、電磁波MBA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MAB、電磁波MBAを伝搬させた場合、電磁波MABの透過率SABと、電磁波MBAの透過率SBAとを互いに異ならせることが可能となる。
The
実際にこれら電磁波MAB、MBA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。
By actually propagating these electromagnetic waves M AB and M BA to the
図4は、この電磁波MAB、電磁波MBAを模式的に示した図である。電磁波MABの進行方向をk1とし、その電場E1、磁場をH1とする。電磁波MBA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MAB、電磁波MBA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MAB、電磁波MBA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MAB、電磁波MBA間のマグネトカイラル効果の差異を発現させる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the electromagnetic wave M AB and the electromagnetic wave MBA . The traveling direction of the electromagnetic wave M AB is k 1 , the electric field E 1 , and the magnetic field is H 1 . The traveling direction of the electromagnetic wave M BA and k 2, the electric field E 2, and the magnetic field H 2. Thus, the electromagnetic waves M AB and the electromagnetic waves M BA incident on the rectifying
具体的には、電磁波MBA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MBA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MBA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MBA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。
Specifically, when the electromagnetic wave MBA is incident on the rectifying
この電気分極ΔPの方向が図5に示すように電磁波MBA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MBA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MBA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。
When the direction of this electric polarization ΔP is the same as the direction of the electric field E 2 of the electromagnetic wave MBA as shown in FIG. 5, they will resonate with each other with the spin of the proper screw magnetic structure. As a result, the energy based on the electric field E 2 of the electromagnetic wave M BA is absorbed by the
なお、この電気分極ΔPが発生する過程では、電磁場MBAの持つ磁場H2の振動のみならず、電磁場MBA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。 In the course of this electric polarization ΔP occurs, not only the vibration of the magnetic field H 2 with the electromagnetic field M BA, if acting on the electric field E 2 with the electromagnetic field M BA is other to directly induce electrical polarization ΔP There is also.
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MAB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MAB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MAB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。
On the other hand, when the electromagnetic wave MAB is incident on the rectifying
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MAB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。
As a result, the
この電気分極ΔPの方向が図5に示すように電磁波MAB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MAB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MAB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。
If the direction of the electric polarization ΔP is different from the direction of the electric field E 1 of the electromagnetic wave M AB as shown in FIG. 5, the resonance is eliminated together with the spin of the proper screw magnetic structure. As a result, the energy based on the electric field E 1 of the electromagnetic wave M AB passes through without being absorbed by the
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MAB、MBA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MAB、MBA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。
As described above, even when the irradiating directions of the
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MBA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。
Temporarily, by applying the external magnetic field H to the
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MBA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MBA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。
With respect to the
この強誘電分極ΔPの方向が図6に示すように電磁波MBAの電場E2の方向と異なるものであるため、電磁波MBA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MBA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。
Since the direction of the ferroelectric polarization ΔP is different from the direction of the electric field E 2 of the electromagnetic wave MBA as shown in FIG. 6, the energy based on the electric field E 2 of the electromagnetic wave MBA is not absorbed by this, Pass as it is. As a result, the transmittance of the electromagnetic wave MBA is not particularly reduced in the process of passing through the rectifying
これに対して、電磁波MAB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MAB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。
On the other hand, when the electromagnetic wave M AB is incident on the rectifying
この強誘電分極ΔPの方向が図6に示すように電磁波MABの電場E1の方向と同一であるため、電磁波MAB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MABは、整流素子2を通過する過程で透過率が減少する。
Since the direction of the ferroelectric polarization ΔP is the same as the direction of the electric field E 1 of the electromagnetic wave M AB as shown in FIG. 6, the energy based on the electric field E 1 of the electromagnetic wave M AB is absorbed by this. As a result, the transmittance of the electromagnetic wave MAB decreases in the process of passing through the rectifying
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MAB、MBA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MAB、MBA間の方向二色性を制御することも可能となる。
In this way, by applying the external magnetic field H, the direction of the spin constituting the
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MAB、MBA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。
Further, the chirality of the
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MBA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MAB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MAB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MBA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。 In the example of FIG. 7, when the direction of the ferroelectric polarization ΔP is clockwise, it resonates with the electromagnetic wave MBA having the electric field E 2 component in the same direction as this and absorbs it, thereby reducing the transmittance. Can be made. In addition, when the direction of the ferroelectric polarization ΔP is clockwise, it does not resonate with and does not absorb the electromagnetic wave MAB having a different electric field E 1 component, so that the transmittance is not particularly lowered. When the direction of the ferroelectric polarization ΔP is counterclockwise, the transmittance can be reduced by resonating with and absorbing the electromagnetic wave MAB having the electric field E 1 component in the same direction as this. Further, when the direction of the ferroelectric polarization ΔP is counterclockwise, it does not resonate with and does not absorb the electromagnetic wave MBA having a different electric field E 2 component, so that the transmittance is not particularly lowered. .
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MAB、MBA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MAB、MBA間の方向二色性を制御することも可能となる。
Thus, by applying the electric field E from the outside, the chirality of the spins constituting the
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MAB、MBA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MAB、MBA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。
In the present invention, the electromagnetic waves M AB and M BA propagating in the
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MAB、MBA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MAB、MBA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MAB、MBA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MAB、MBA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MAB、MBA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。
In the above-described embodiment, the case where the spin direction (or the sum thereof) of the
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MAB、MBA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MAB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。
Moreover, the electromagnetic wave
このデバイス透過率制御デバイス1´では、電磁波MAB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MAB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。
In the device transmittance control device 1 ', in order to propagate electromagnetic waves M AB to the
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。
In the present invention having the above-described configuration, an insulator in which a proper screw magnetic structure, which is easier to manufacture and easily obtainable than electromagnon, is induced, can be used as the material of the rectifying
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。 Further, in the present invention, it is possible to control the transmittance of electromagnetic waves in an ultrahigh band, particularly extending to several hundred GHz to several THz.
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。
Embodiments of the electromagnetic wave
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MAB、MBA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、Cu2Fe1-xGaxO2(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。
In this verification experiment, as shown in FIG. 2, the rectifying
図9は、電磁波MAB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。
FIG. 9 shows the measurement result of the absorption coefficient when the rectifying
図10は、電磁波MAB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、Cu2Fe1-xGaxO2(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。
FIG. 10 shows the measurement result of the absorption coefficient when the rectifying
図11は、各偏光成分について、電磁波MAB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、Cu2Fe1-xGaxO2(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。
FIG. 11 shows the measurement results of the absorption coefficient when the rectifying
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。
From these results, the difference in the absorption coefficient between the positive magnetic field and the negative magnetic field clearly appears in any polarization direction. For this reason, it is shown in the present invention that the transmittance of the rectifying
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
DESCRIPTION OF
Claims (12)
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。 For an insulator in which a conical structure based on a proper screw magnetic structure is induced, electromagnetic waves are propagated from different propagation directions, and the transmittance is different between the propagation directions .
A method for controlling the transmittance of electromagnetic waves, wherein a difference value of transmittance between the propagation directions is changed according to a spin direction of the conical structure or a spin chirality of the conical structure .
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。 The transmittance of electromagnetic waves propagating in the insulator from a propagation direction corresponding to the sum of the spin directions of the conical structure and different from each other by 180 ° is made different between the propagation directions. Item 2. A method for controlling the transmittance of electromagnetic waves according to Item 1.
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。 Cu 2 Fe 1-x Ga x electromagnetic transmittance control method according to claim 1 or 2 O 2 consisting of an insulating body, characterized in that inducing the conical structure.
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。The electromagnetic wave transmittance control method according to any one of claims 1 to 3.
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。 Propagation of electromagnetic waves to an insulator in which a conical structure based on the proper screw magnetic structure is induced,
An electromagnetic wave transmittance control method, wherein the electromagnetic wave transmittance is changed according to a spin direction of the conical structure or a spin chirality of the conical structure.
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。 The spin direction of the conical structure is controlled according to a magnetic field applied substantially parallel to the propagation direction, and the chirality of the spin of the conical structure is controlled according to an electric field applied substantially perpendicular to the propagation direction. The electromagnetic wave transmittance control method according to claim 5, wherein:
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。 With an insulator in which a conical structure based on the proper screw magnetic structure is induced,
It is characterized in that the transmittance of electromagnetic waves propagating to the insulator from different propagation directions is different between the propagation directions ,
The insulator is an electromagnetic wave transmittance control device that changes a difference value of transmittance between the propagation directions in accordance with a spin direction of the conical structure or a spin chirality of the conical structure .
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。 The insulator is characterized in that the transmittance of electromagnetic waves propagating in propagation directions corresponding to the sum of spin directions of the conical structure and propagating directions different from each other by 180 ° is different between the propagation directions. Item 8. The electromagnetic wave transmittance control device according to Item 7.
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。 The insulator, the electromagnetic wave transmittance control device according to claim 7 or 8, characterized in that the Cu 2 Fe 1-x Ga x O 2.
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。The electromagnetic wave transmittance control device according to any one of claims 7 to 9.
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。 With an insulator in which a conical structure based on the proper screw magnetic structure is induced,
An electromagnetic wave transmittance control device, wherein an electromagnetic wave propagated to the insulator is changed according to a spin direction of the conical structure or a spin chirality of the conical structure.
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。 Means for controlling the spin direction of the conical structure according to a magnetic field applied substantially parallel to the propagation direction, and controlling the chirality of the spin of the conical structure according to an electric field applied substantially perpendicular to the propagation direction. The electromagnetic wave transmittance control device according to claim 11, further comprising:
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