WO2022124205A1 - 光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータ - Google Patents

光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータ Download PDF

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optical
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light
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伸一郎 岩井
洋平 川上
辰哉 天野
研也 大串
賢治 米満
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Chuo University
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Tohoku University NUC
Chuo University
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q11/00—Selecting arrangements for multiplex systems
    • H04Q11/0001—Selecting arrangements for multiplex systems using optical switching
    • H04Q11/0005—Switch and router aspects
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04Q11/0005—Switch and router aspects
    • H04Q2011/0007—Construction

Definitions

  • the present invention relates to an optical switch element, an optical switch device, an optical communication system, and an optical computer.
  • the magneto-optical switch is an example of an element using spin.
  • the photomagnetic switch is a switch that utilizes the property that the turning property changes when a circularly polarized pulse is applied to a substance having magnetic order such as an antiferromagnetic material or a weakly ferromagnetic material.
  • Patent Document 1 describes a magneto-optical switch that utilizes a magneto-optical effect.
  • the magneto-optical switch described in Patent Document 1 requires that the spins of adjacent sub-lattices have magnetic order. This is because the magneto-optical switch described in Patent Document 1 utilizes the reverse Faraday effect.
  • the Faraday effect has been considered to be a phenomenon limited to magnetic materials having long-range magnetic order (for example, antiferromagnetic materials and weak ferromagnetic materials).
  • the orbital motion of electrons excited by circular polarization reveals the magnetization in the material by spin-orbit interaction.
  • the photomagnetic switch described in Patent Document 1 operates only at a Néel temperature TN or a Curie temperature T c or less in which an antiferromagnetic material, a weak ferromagnetic material, or the like has a long-range magnetic order.
  • the Néel temperature TN and the Curie temperature T c are extremely low temperatures (for example, 7 K or less).
  • the magneto-optical switch described in Patent Document 1 uses a substance having a relatively high Curie temperature, but the temperature range in which it can be used is still limited.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical switch element, an optical switch device, an optical communication system, and an optical computer that can operate even in a temperature range higher than the Néel temperature.
  • the present invention provides the following means for solving the above problems.
  • the optical switch element according to the first aspect is a substance having a plurality of transition metal elements having electrons in the d orbit and a plurality of anions arranged around each of the plurality of transition metal elements.
  • the state in which the plurality of transition metal elements are arranged in a grid pattern, the t 2g orbitals in which the d orbitals of the plurality of transition metal elements are split are connected in a ring shape, and the substance does not have long-range magnetic order. Then, when the control light is irradiated, the signal light is polarized and rotated.
  • the arrangement of the plurality of transition metal elements may be any of a honeycomb lattice shape, a triangular lattice shape, and a kagome lattice shape.
  • the substance may be ⁇ -RuCl 3 .
  • the wavelength of the control light may be 1 ⁇ m or more.
  • the optical switch device includes the optical switch element according to the above aspect, a light source that irradiates the optical switch element with the signal light, and a control element that irradiates the optical switch element with the control light. And a polarizing plate that polarizes the light transmitted or reflected through the optical switch element.
  • the optical communication system according to the third aspect includes the optical switch device according to the above aspect.
  • the optical computer according to the fourth aspect includes the optical switch device according to the above aspect.
  • the optical switch element, the optical switch device, the optical communication system, and the optical computer according to the above aspect can operate even in a temperature range higher than the Neel temperature.
  • the time change of the polarization rotation by the circular polarization excitation in the optical switch element of Example 1 is shown.
  • the time change of the polarization rotation by the circular polarization excitation in the optical switch element of Example 2 is shown. It is the measurement result of Example 3 and shows the temperature dependence of the maximum value of the rotation angle of the polarization rotation by the circular polarization excitation.
  • the time change of the plane component of the magnetization generated in ⁇ -RuCl 3 by the circular polarization excitation obtained by the theoretical calculation of Example 4 is shown.
  • the measurement result of Example 5 is shown. It shows the time change of the rotation angle in the polarization direction when the photon energy of the control light is changed to 1.55 eV (wavelength 800 nm).
  • the traveling direction of the signal light L1 emitted from the light source 20 is the z direction
  • one direction in the plane orthogonal to the z direction is the x direction
  • the z direction and the direction orthogonal to the x direction are the y direction.
  • the growth direction of the crystal is defined as the c-axis direction
  • the directions orthogonal to the c-axis direction are defined as the a-axis direction and the b-axis direction.
  • the c-axis direction may coincide with, for example, the z-direction
  • the a-axis direction may coincide with, for example, the x-direction
  • the b-axis direction may coincide with, for example, the y-direction.
  • FIG. 1 is a perspective view of the optical switch device 100 according to the first embodiment.
  • the optical switch device 100 includes an optical switch element 10, a light source 20, a control element 30, and a polarizing plate 40.
  • the optical switch device 100 rotates the polarization direction of the signal light L1 emitted from the light source 20 by the control light C1 emitted from the control element 30 to the optical switch element 10 to change the intensity of the light passing through the polarizing plate 40.
  • the light source 20 is a light source that irradiates the optical switch element 10 with the signal light L1.
  • the control element 30 is a light source that irradiates the optical switch element 10 with the control light C1.
  • Known light sources 20 and control elements 30 can be used.
  • the light source 20 and the control element 30 are, for example, a laser light source.
  • the signal light L1 is, for example, linearly polarized light.
  • the control light C1 is circularly polarized light. The helicity of the control light C1 does not matter.
  • the polarizing plate 40 is, for example, in the traveling direction of the light transmitted through the optical switch element 10.
  • the polarizing plate 40 is, for example, a linear deflection plate, and a known polarizing plate 40 can be used.
  • the optical switch element 10 polarized and rotates the signal light L1 when the control light C1 is irradiated.
  • the optical switch element 10 can transmit the signal light L1.
  • the wavelength of the signal light L1 is preferably 1 ⁇ m or more, more preferably 1.2 ⁇ m or more.
  • FIG. 2 is an example of the crystal structure of the substance M1 constituting the optical switch element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a crystal structure of ⁇ -RuCl 3 as an example of the substance M1.
  • the optical switch element 10 includes a substance M1 having a plurality of transition metal elements 1 and a plurality of anions 2.
  • the transition metal element 1 may have electrons in the d-orbital.
  • the transition metal element 1 has, for example, an electron in the 4d orbital, and is, for example, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, and Cd.
  • the transition metal element 1 in FIG. 2 is Ru.
  • the plurality of transition metal elements 1 are arranged in a lattice pattern.
  • the arrangement of the plurality of transition metal elements 1 is, for example, arranged in a two-dimensional lattice pattern. Specifically, the arrangement of the plurality of transition metal elements 1 may be, for example, one of a honeycomb lattice shape, a triangular lattice pattern, and a kagome lattice pattern.
  • the shape of the unit lattice of the two-dimensional lattice may be a triangle, a quadrangle (square, rectangle, parallelogram, rhombus), a hexagon or the like. It is particularly preferable that the arrangement of the plurality of transition metal elements 1 is honeycomb-shaped. The transition metal element 1 in FIG. 2 is connected in a honeycomb lattice pattern.
  • the plurality of anions 2 surround each transition metal element 1.
  • the plurality of anions 2 are arranged in a lattice pattern, and the transition metal element 1 is contained at the center position of the lattice.
  • the arrangement of the anions 2 is, for example, a honeycomb lattice pattern, a triangular lattice pattern, a kagome lattice pattern, and preferably a honeycomb lattice pattern.
  • the anion 2 is, for example, a chloride ion (Cl ⁇ ) or an oxide ion (O 2- ).
  • the anion 2 in FIG. 2 is Cl ⁇ .
  • the substance M1 used in the optical switch element 10 is, for example, ⁇ -RuCl 3 , Na 2 IrO 3 , Li 2 IrO 3 , Bi 3 Mn 4 O 12 (NO 3 ), ZnCu 3 (OH 6 Cl 2 ), and a transition metal. It is a chalcogenide.
  • FIG. 3 shows an example of the positional relationship between one transition metal element 1 in a substance and the surrounding anion 2.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining crystal field splitting.
  • the anion 2 is located at the apex position of the octahedron centered on the transition metal element 1.
  • crystal field splitting of the d-orbital occurs.
  • the d-orbital of the transition metal element 1 that has been degenerate quintuple is split into an eg orbital that is degenerate twice and a t 2g orbital that is degenerate triple due to the octahedral crystal field created by the p-orbital of the anion 2 . do.
  • the t 2g orbital has three orbital degrees of freedom of d xy , d yz , and d z x .
  • the d- orbital becomes an eg orbital due to crystal field splitting. It is divided into t 2g orbitals.
  • FIG. 4 shows the distribution of the t 2g orbital in which the d orbital of the transition metal element 1 is split.
  • the t 2g orbitals in which the d orbitals of the transition metal element 1 are split are connected in a lattice pattern along the arrangement of the transition metal element 1. It is preferable that the t 2g orbitals are connected in a honeycomb lattice shape, a triangular lattice pattern, and a kagome lattice pattern, and the t 2g orbitals are connected in a honeycomb lattice pattern, for example.
  • the t 2g orbitals connected in a grid pattern are composed of a unit structure of a plurality of t 2g orbitals connected in a ring shape.
  • the unit structure of the t 2g orbitals connected in an annular shape is a hexagon.
  • the t 2g orbitals are connected means that the electrons in the t 2g orbitals of one transition metal element 1 can propagate to the t 2g orbitals of another transition metal element 1, and the electron clouds of each d orbital are completely connected. It is not limited to the case where. For example, the case where the electron of the t 2g orbital of one transition metal element 1 hopping propagates to the t 2g orbital of another transition metal element 1 is included.
  • the substance M1 does not have long-range order of spin (long-range magnetic order) in a temperature range above the Néel temperature TN , for example.
  • the substance M1 may be, for example, a quantum spin liquid having no long-range order of spins but having short-range order, and may have neither long-range order nor short-range order of spins.
  • sp2 and sp2 show antiferromagnetic order (long-range order) arranged in a zigzag pattern, they do not have magnetic order (long-range order) in the temperature range above the Néel temperature TN .
  • the optical switch element 10 is irradiated with the signal light L1.
  • the signal light L1 passes through the optical switch element 10 and reaches the polarizing plate 40.
  • the optical switch element 10 is not irradiated with the control light C1, the polarization state of the signal light L1 does not change.
  • the optical switch element 10 is irradiated with the circularly polarized control light C1.
  • the wavelength of the control light C1 is, for example, preferably 1 ⁇ m or more, and more preferably 1.2 ⁇ m or more.
  • the efficiency of rotating the polarization direction is higher than when the wavelength of the control light C1 is visible light.
  • the angle between the signal light L2 and the signal light L1 is referred to as a rotation angle ⁇ .
  • the direction of polarization rotation changes depending on the helicity of circular polarization (clockwise ⁇ + , counterclockwise ⁇ ⁇ ).
  • clockwise ⁇ + When the helicity of circular polarization is clockwise ⁇ + , it rotates counterclockwise, and when the helicity of circular polarization is counterclockwise ⁇ ⁇ , it rotates clockwise.
  • the rotation angle ⁇ changes according to the thickness of the optical switching element 10 in the z direction and the intensity of the control light C1.
  • the thickness of the optical switching element 10 in the z direction is large, the rotation angle ⁇ becomes large.
  • the intensity of the control light C1 is strong, the rotation angle ⁇ of the optical switching element 10 becomes large.
  • the optical switch device 100 performs a switching operation, for example, "ON" when the amount of transmitted light is equal to or greater than the threshold value and "OFF" when the amount of light transmitted is equal to or less than the threshold value.
  • the optical switch device 100 generates orbital angular momentum by transitioning the excited electrons so as to twist in a ring shape between orbitals having different degrees of freedom, and rotates the polarization direction of the signal light L1.
  • This principle is different from the conventional magneto-optical effect using the inverse Faraday effect, and is expressed even in a state (phase) without long-distance magnetic order. That is, the optical switch device 100 according to the first embodiment can perform the optical switch operation by the control light C1 regardless of the Neel temperature TN .
  • the optical switch device 100 Since the optical magnetic switch utilizing the reverse Faraday effect operates only at a nail temperature of less than TN in principle, the optical switch device 100 according to the first embodiment operating at a Néel temperature of TN or higher operates according to a new principle. It can be said that it is.
  • the optical switch device 100 according to the first embodiment can be used for an optical communication system, an optical computer, and the like.
  • FIG. 6 is a block diagram of the optical communication system 200 according to the first embodiment.
  • the optical communication system 200 has a plurality of transmission / reception devices 110.
  • Each of the transmission / reception devices 110 has a transmission device 101 and a reception device 102.
  • the transmission device 101 includes a signal generation unit 50 and an optical switch device 100.
  • the receiving device 102 includes a photoelectric conversion element 60 and a signal processing element 70.
  • the signal generation unit 50 generates a digital signal.
  • the control element 30 irradiates the optical switch element 10 with the control light C1 based on the signal input from the signal generation unit 50.
  • the optical switch element 10 rotates the polarization direction of the signal light L1 emitted from the light source 20 according to the control light C1.
  • the optical switch device 100 emits light having different intensities depending on the degree of coincidence between the polarization direction through which the polarizing plate 40 can pass and the polarization direction of the signal light. That is, the transmission device 101 converts the digital signal (for example, "1" 0 "" 1 "" 0 ”) generated by the signal generation unit 50 into an optical signal (for example,” ON “OFF” "ON” "OFF”). replace.
  • the receiving device 102 receives the optical signal emitted from the transmitting device 101.
  • the optical signal is replaced with an electric signal by the photoelectric conversion element 60, and is processed by the signal processing element 70.
  • FIG. 7 is a block diagram of the optical computer 300 according to the first embodiment.
  • the optical computer 300 has, for example, an optical switch device 100 and an integrated circuit 120.
  • the integrated circuit 120 has a storage unit 80 and a signal processing unit 90.
  • the information recorded in the storage unit 80 is sent to the control element 30.
  • the control element 30 irradiates the control light C1 based on the information stored in the storage unit 80.
  • the signal processing unit 90 performs processing based on the optical signal emitted from the optical switch device 100.
  • FIG. 8 is a perspective view of the optical switch device 100A according to the first modification.
  • Example 1 Using ⁇ -RuCl 3 as the optical switch element 10, the polarization rotation of light was verified. The thickness of the optical switching element 10 in the z direction was set to 50 ⁇ m. In Example 1, the optical switch element 10 was irradiated with circularly polarized light, and the light transmitted through the optical switch element 10 was measured. Then, the rotation angle ⁇ between the polarization direction of the incident light on the optical switch element 10 and the polarization direction of the emitted light was obtained.
  • a circularly polarized pulse having an intensity of 4.0 mJ / cm 2 and a pulse width of 200 fsec was used as the control light C1 incident on the optical switch element 10.
  • the photon energy of the circularly polarized pulse was 0.89 eV (wavelength 1.4 ⁇ m). Circularly polarized helicity was performed for clockwise ⁇ + and counterclockwise ⁇ -, respectively.
  • the signal light L1 to be applied to the optical switch element 10 is a linearly polarized probe light.
  • the photon energy of the signal light L1 was 0.62 eV (wavelength 2.0 ⁇ m).
  • the measurement temperature was 16K.
  • FIG. 9 shows the time change of the polarization rotation due to the circular polarization excitation in the optical switch element of the first embodiment.
  • the rotation angle ⁇ of the polarization rotation was 4 degrees or more.
  • the direction of rotation of the polarization rotation depended on the helicity of the circular polarization.
  • the optical switch element 10 can rotate the signal light L1 by polarization, and the optical switch device 100 functions by inserting a polarizing plate into the optical path of the light emitted from the optical switch element 10. Further, since the optical switch element 10 operates with a pulse width in femtosecond units, the optical switch device 100 can also support high-speed communication.
  • Example 2 is different from Example 1 in that the measurement temperature is 295 K. Other conditions were examined in the same manner as in Example 1.
  • FIG. 10 shows the time change of the polarization rotation due to the circular polarization excitation in the optical switch element of the second embodiment. The same result as in Example 1 was shown in Example 2. As shown in Example 2, it was confirmed that the optical switch element operates even at room temperature.
  • Example 3 is different from Example 1 in that the temperature dependence of the maximum value of the rotation angle ⁇ of the polarization rotation by circular polarization excitation is measured by changing the measurement temperature. Other conditions were examined in the same manner as in Example 1.
  • FIG. 11 shows the measurement results of Example 3.
  • polarization rotation by ⁇ -RuCl 3 occurred at any temperature.
  • ⁇ -RuCl 3 had a Neel temperature of TN or higher, and the rotation angle ⁇ of the polarization rotation was large. That is, it can be said that the long-distance magnetic order in the in-plane direction as shown in FIG. 5 hinders the rotation of the polarized light.
  • the polarization rotation occurs when the Néel temperature is less than TN , and the polarization rotation does not occur when the Néel temperature is TN or more. Therefore, it can be said that the phenomenon shown in FIG. 11 is the opposite behavior of the magneto-optical switch utilizing the conventional reverse Faraday effect, and that the polarization rotation is caused by a different principle.
  • Example 4 the mechanism of generation of photoinduced magnetization in ⁇ -RuCl 3 was investigated by theoretical analysis considering the quantum many-body effect. Specifically, there are on-site electron-electron interactions and spin-orbit interactions between the t 2g orbitals (d yz , d xx, d xy orbitals ) of the honeycomb lattice as shown in FIG. 4, and the transfer integrals are closest to each other. We dealt with the case of the site only. Numerical calculations were performed by the exact diagonalization method for a 6-site periodic system with 3-fold symmetry. In the numerical calculation, the light irradiation effect on the electronic state obtained by the exact diagonalization method was performed by the time-dependent Schrodinger equation. Photoexcitation was introduced as the Peierls phase, and the excitation energy was set to be equal to or less than the motto gap equivalent to that of Example 1.
  • FIG. 12 shows the time change of the plane component of the magnetization generated in ⁇ -RuCl 3 by the circular polarization excitation obtained by the theoretical calculation of Example 4.
  • the magnetization of this plane component is that the excited electrons make hopping transitions while twisting the orbitals with different degrees of freedom in a ring shape between each site of the honeycomb lattice (for example, d xy ⁇ d yz ⁇ d z x ⁇ d xy ). It turned out to occur in.
  • Example 5 is different from Example 1 in that the behavior of polarization rotation due to circular polarization excitation is measured by changing the wavelengths of the signal light L1 and the control light C1.
  • FIG. 13 shows the measurement results of Example 5.
  • FIG. 13A shows the absorption wavelength of ⁇ -RuCl 3 (optical switching element 10).
  • FIG. 13 (a) is based on FIGS. 1 (a) and 4 (a) of L. J. Sandilands et al., Phys. Rev. B 93, 075144 (2016). Both the solid line graph and the dotted line graph shown in FIG. 13 (a) show the absorption of ⁇ -RuCl 3 .
  • the dotted line graph is a 25-fold magnified view of the solid line graph in the region where the photon energy is 1.0 eV or less (wavelength 1.24 ⁇ m or more).
  • FIGS. 13B to 13 (d) show changes in the rotation angle ⁇ when the optical switching element 10 is irradiated with the control light C1 having different photon energies ( Epu ).
  • FIG. 13B is a result when the photon energy of the control light C1 is 0.3 eV (wavelength 3.8 ⁇ m).
  • FIG. 13 (c) shows the results when the photon energy of the control light C1 is 0.62 eV (wavelength 2.0 ⁇ m).
  • FIG. 13D shows the results when the photon energy of the control light C1 is 0.89 eV (wavelength 1.4 ⁇ m).
  • the horizontal axis of FIGS. 13B to 13D is the photon energy of the signal light L1, and the vertical axis is the rotation angle ⁇ .
  • As the control light C1 a circularly polarized pulse having an intensity of 1.0 mJ / cm 2 and a pulse width of 200 fsec was used.
  • FIG. 14 shows the time change of the rotation angle ⁇ in the polarization direction when the photon energy of the control light C1 is changed to 1.55 eV (wavelength 800 nm).
  • ⁇ -RuCl 3 absorbs light more in the region where the photon energy is 1.55 eV than in the region where the photon energy is 1.0 eV or less (see (a) in FIG. 13).
  • FIG. 14A shows the result of setting the photon energy of the signal light L1 to 0.54 eV (wavelength 2.3 ⁇ m), and FIG. 14B shows the photon energy of the signal light L1 set to 1.03 eV (wavelength 1.2 ⁇ m). It is the result of doing.
  • the horizontal axis of FIG. 14 is the elapsed time after irradiation with the control light C1, and the vertical axis is the rotation angle ⁇ .
  • As the control light C1 a circularly polarized pulse having an intensity of 1.0 mJ / cm 2 and a pulse width of 200 fsec was used.
  • the rotation angle ⁇ changed by irradiating the control light C1.
  • the rotation angle was smaller than the experimental results (FIGS. 13 (b) to (d)) in the region where the photon energy was 1.0 eV or less.
  • Optical switch element 1 ... Transition metal element, 2 ... Anion, 10 ... Optical switch element, 20 ... Light source, 30 ... Control element, 40 ... Plate plate, 50 ... Signal generator, 60 ... Photoelectric conversion element, 70 ... Signal processing element, 80 ... Storage unit, 90 ... Signal processing unit, 100, 100A ... Optical switch device, 101 ... Transmission device, 102 ... Receiver device, 110 ... Transmission / reception device, 120 ... Integrated circuit, 200 ... Optical communication system, 300 ... Optical computer, C1 ... control light, L1, L2 ... signal light, sp1 ... first spin, sp2 ... second spin, ⁇ ... rotation angle

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Abstract

本発明は、ネール温度より高い温度域でも動作できる光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータを提供することを目的とする。　本発明の光スイッチ素子（１０）は、ｄ軌道に電子を有する複数の遷移金属元素と、前記複数の遷移金属元素のそれぞれの周囲に配置された複数の陰イオンと、を有する物質を含み、前記複数の遷移金属元素は格子状に配列し、前記複数の遷移金属元素のそれぞれのｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道は環状に繋がり、前記物質が長距離の磁気秩序を持たない状態で、制御光（Ｃ１）が照射された際に信号光（Ｌ１）を偏光回転させる。

Description

光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータ
　本発明は、光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータに関する。本願は、２０２０年１２月８日に、日本に出願された特願２０２０－２０３３５２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　近年、物質のスピンを利用した素子に注目が集まっている。光磁気スイッチは、スピンを利用した素子の一例である。光磁気スイッチは、円偏光パルスを反強磁性体や弱強磁性体等の磁気秩序を有する物質に照射すると、旋光性が変化するという性質を利用したスイッチである。例えば、特許文献１には、磁気光学効果を利用した光磁気スイッチが記載されている。
特表２００９－５３８４９０号公報
　特許文献１に記載の光磁気スイッチは、隣接する副格子のスピンが磁気秩序を有する必要がある。これは特許文献１に記載の光磁気スイッチは、逆ファラデー効果を利用しているためである。逆ファラデー効果は、これまで長距離の磁気秩序をもつ磁性体（例えば、反強磁性体、弱強磁性体）に限られる現象であると考えられてきた。これらの反強磁性体や弱強磁性体における逆ファラデー効果では、円偏光によって励起された電子の軌道運動が、スピン軌道相互作用により物質中の磁化を顕在化させる。そのため、特許文献１に記載の光磁気スイッチは、反強磁性体や弱強磁性体等が長距離の磁気秩序を持つネール温度ＴＮ又はキュリー温度Ｔｃ以下でしか動作しない。しかしながら、多くの磁性体において、ネール温度ＴＮ及びキュリー温度Ｔｃは極めて低温（例えば、７Ｋ以下）である。特許文献１に記載の光磁気スイッチは、キュリー温度が比較的高い物質を用いているが、それでも使用できる温度範囲が制限される。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ネール温度より高い温度域でも動作できる光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータを提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる光スイッチ素子は、ｄ軌道に電子を有する複数の遷移金属元素と、前記複数の遷移金属元素のそれぞれの周囲に配置された複数の陰イオンと、を有する物質を含み、前記複数の遷移金属元素は格子状に配列し、前記複数の遷移金属元素のそれぞれのｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道は環状に繋がり、前記物質が長距離の磁気秩序を持たない状態で、制御光が照射された際に信号光を偏光回転させる。
（２）上記態様にかかる光スイッチ素子において、前記複数の遷移金属元素の配列がハニカム格子状、三角格子状、カゴメ格子状のいずれかであってもよい。
（３）上記態様にかかる光スイッチ素子において、物質がα－ＲｕＣｌ３であってもよい。
（４）上記態様にかかる光スイッチ素子において、制御光の波長が、１μｍ以上であってもよい。
（５）第２の態様にかかる光スイッチ装置は、上記態様にかかる光スイッチ素子と、前記光スイッチ素子に前記信号光を照射する光源と、前記光スイッチ素子に前記制御光を照射する制御素子と、前記光スイッチ素子を透過又は反射した光を偏光する偏光板と、を有する。
（６）第３の態様にかかる光通信システムは、上記態様にかかる光スイッチ装置を備える。
（７）第４の態様にかかる光コンピュータは、上記態様にかかる光スイッチ装置を備える。
　上記態様にかかる光スイッチ素子、光スイッチ装置、光通信システム及び光コンピュータは、ネール温度より高い温度域でも動作できる。
第１実施形態に係る光スイッチ装置の斜視図である。 第１実施形態に係る光スイッチ素子を構成する物質の結晶構造（または原子配列）の一例である。 結晶場分裂を説明するための模式図である。 遷移金属元素のｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道の電荷分布を示す。 α－ＲｕＣｌ３のネール温度未満の温度域におけるスピンの状態を示す。 第１実施形態にかかる光通信システムのブロック図である。 第１実施形態にかかる光コンピュータのブロック図である。 第１変形例にかかる光スイッチ装置の斜視図である。 実施例１の光スイッチ素子における円偏光励起による偏光回転の時間変化を示す。 実施例２の光スイッチ素子における円偏光励起による偏光回転の時間変化を示す。 実施例３の測定結果であり、円偏光励起による偏光回転の回転角の最大値の温度依存性を示す。 実施例４の理論計算によって求められた円偏光励起によってα－ＲｕＣｌ３に生じる磁化の面直成分の時間変化を示す。 実施例５の測定結果を示す。 制御光の光子エネルギーを１．５５ｅＶ（波長８００ｎｍ）に変更した際に、偏光方向の回転角度の時間変化を示す。
　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
　まず方向について定義する。光源２０から照射される信号光Ｌ１の進行方向をｚ方向、ｚ方向と直交する面内の一方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。また物質を構成する結晶構造において、結晶の成長方向をｃ軸方向、ｃ軸方向と直交する方向をａ軸方向及びｂ軸方向とする。ｃ軸方向は、例えばｚ方向と一致し、ａ軸方向は、例えばｘ方向と一致し、ｂ軸方向は、例えばｙ方向と一致していてもよい。その他、ａ軸方向は、例えば（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，１，－２）方向と一致し、ｂ軸方向は、例えば（ｘ，ｙ，ｚ）＝（－１，１，０）方向と一致し、ｃ軸方向は、例えば（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，１，１）と一致していてもよい。
　図１は、第１実施形態に係る光スイッチ装置１００の斜視図である。光スイッチ装置１００は、光スイッチ素子１０と光源２０と制御素子３０と偏光板４０とを有する。光スイッチ装置１００は、制御素子３０から光スイッチ素子１０に照射した制御光Ｃ１で、光源２０から出射した信号光Ｌ１の偏光方向を回転させ、偏光板４０を通過する光の強度を変化させる。
　光源２０は、光スイッチ素子１０に信号光Ｌ１を照射する光源である。制御素子３０は、光スイッチ素子１０に制御光Ｃ１を照射する光源である。光源２０及び制御素子３０は、公知のものを用いることができる。光源２０及び制御素子３０は、例えば、レーザー光源である。信号光Ｌ１は、例えば、直線偏光である。制御光Ｃ１は、円偏光である。制御光Ｃ１のヘリシティは問わない。
　偏光板４０は、例えば、光スイッチ素子１０を透過した光の進行方向上にある。偏光板４０は、例えば直線偏向板であり、公知のものを用いることができる。
　光スイッチ素子１０は、制御光Ｃ１が照射された際に、信号光Ｌ１を偏光回転させる。光スイッチ素子１０は、信号光Ｌ１を透過できる。信号光Ｌ１の波長は、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは１．２μｍ以上である。
　図２は、第１実施形態に係る光スイッチ素子を構成する物質Ｍ１の結晶構造の一例である。図２は、物質Ｍ１の一例としてα－ＲｕＣｌ３の結晶構造である。光スイッチ素子１０は、複数の遷移金属元素１と複数の陰イオン２とを有する物質Ｍ１を含む。
　遷移金属元素１は、ｄ軌道に電子を有するものであればよい。遷移金属元素１は、例えば、４ｄ軌道に電子を有するものであり、例えば、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄである。図２における遷移金属元素１は、Ｒｕである。複数の遷移金属元素１は、格子状に配列している。複数の遷移金属元素１の配列は、例えば、二次元格子状に配列している。複数の遷移金属元素１の配列は、具体的には、例えば、ハニカム格子状、三角格子状、カゴメ格子状のいずれかであってもよい。また二次元格子の単位格子の形状は、三角形、四角形（正方形、長方形、平行四辺形、ひし形）、六角形等でもよい。複数の遷移金属元素１の配列はハニカム状であることが特に好ましい。図２における遷移金属元素１は、ハニカム格子状に繋がっている。
　複数の陰イオン２は、それぞれの遷移金属元素１の周囲を囲む。複数の陰イオン２は、格子状に配列し、格子の中心位置に遷移金属元素１を含む。陰イオン２の配列は、例えば、ハニカム格子状、三角格子状、カゴメ格子状であり、ハニカム格子状であることが好ましい。陰イオン２は、例えば、塩化物イオン（Ｃｌ－）、酸化物イオン（Ｏ２－）である。図２における陰イオン２は、Ｃｌ－である。
　光スイッチ素子１０に用いられる物質Ｍ１は、例えば、α－ＲｕＣｌ３、Ｎａ２ＩｒＯ３、Ｌｉ２ＩｒＯ３、Ｂｉ３Ｍｎ４Ｏ１２（ＮＯ３）、ＺｎＣｕ３（ＯＨ６Ｃｌ２）、遷移金属カルコゲナイドである。
　図３は、物質中の一つの遷移金属元素１と周囲の陰イオン２との位置関係の一例を示す。図３は、結晶場分裂を説明するための模式図である。陰イオン２は、遷移金属元素１を中心とする八面体の頂点位置にある。遷移金属元素１を内包する八面体の頂点位置に陰イオン２が存在する場合、ｄ軌道の結晶場分裂が生じる。５重に縮退していた遷移金属元素１のｄ軌道は、陰イオン２のｐ軌道が作る八面体の結晶場により２重に縮退したｅｇ軌道と３重に縮退したｔ２ｇ軌道とに分裂する。ｔ２ｇ軌道は、ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘの３つの軌道自由度を有する。ここでは、陰イオン２が遷移金属元素１を内包する八面体の頂点位置に存在する場合を例示したが、四面体の頂点位置に存在する場合もｄ軌道は、結晶場分裂によりｅｇ軌道とｔ２ｇ軌道とに分かれる。
　図４は、遷移金属元素１のｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道の分布を示す。図４では、遷移金属元素１のみを図示し、陰イオン２を省略している。遷移金属元素１のｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道は、遷移金属元素１の配置に沿って格子状に繋がっている。ｔ２ｇ軌道は、例えば、ハニカム格子状、三角格子状、カゴメ格子状に繋がっており、ｔ２ｇ軌道は、例えば、ハニカム格子状に繋がっていることが好ましい。格子状に繋がるｔ２ｇ軌道は、環状に繋がる複数のｔ２ｇ軌道の単位構造からなる。ｔ２ｇ軌道がハニカム格子状に繋がる場合は、環状に繋がるｔ２ｇ軌道の単位構造は六角形である。ｔ２ｇ軌道がハニカム格子状の場合は、円偏光の制御光Ｃ１により励起された電子が環状に伝搬しやすい。そのため、電子の伝搬がスムーズになり、後述する磁化の発生効率が高まる。
　ここで「ｔ２ｇ軌道が繋がる」とは、ある遷移金属元素１のｔ２ｇ軌道の電子が他の遷移金属元素１のｔ２ｇ軌道に伝搬できればよく、それぞれのｄ軌道の電子雲が完全に繋がっている場合に限られるものではない。例えば、ある遷移金属元素１のｔ２ｇ軌道の電子が他の遷移金属元素１のｔ２ｇ軌道にホッピング伝搬する場合を含む。
　物質Ｍ１に円偏光の制御光Ｃ１が照射されると、電子が励起される。励起された電子は、それぞれのサイト（遷移金属元素１）におけるｔ２ｇ軌道間をホッピングしながら伝搬する。ｔ２ｇ軌道は、それぞれのサイトで、軌道自由度（ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘ）を持つ。励起された電子は、例えば、ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘ、ｄｘｙの順に、異なる自由度の軌道を環状にねじれながら遷移する。電子がｔ２ｇ軌道間を環状に伝搬すると、軌道角運動量が生じ、ｃ軸方向に磁化が生じる。信号光Ｌ１の偏光は、この磁化によって回転させられる。
　物質Ｍ１は、例えば、ネール温度ＴＮ以上の温度域でスピンの長距離秩序（長距離の磁気秩序）を持たない。物質Ｍ１は、例えば、スピンの長距離秩序を持たないが短距離秩序を持つ量子スピン液体でもよく、スピンの長距離秩序も短距離秩序も持たないものでもよい。図５は、α－ＲｕＣｌ３のネール温度ＴＮ未満の温度域におけるスピンの状態を示す。α－ＲｕＣｌ３は、ネール温度ＴＮ（ＴＮ＝７Ｋ）未満の温度域では、第１方向に配向した第１スピンｓｐ１と、第１方向と異なる方向の第２方向に配向した第２スピンｓｐ２と、がそれぞれジグザグ状に配列した反強磁性秩序（長距離秩序）を示すが、ネール温度ＴＮ以上の温度域では、磁気秩序（長距離秩序）を持たない。
　次いで、光スイッチ装置１００の動作について説明する。まず光スイッチ素子１０には、信号光Ｌ１が照射されている。信号光Ｌ１は、光スイッチ素子１０を透過し、偏光板４０へ至る。光スイッチ素子１０に制御光Ｃ１が照射されていない状態では、信号光Ｌ１の偏光状態は変化しない。
　次いで、光スイッチ素子１０に円偏光の制御光Ｃ１を照射する。制御光Ｃ１の波長は、例えば、１μｍ以上であることが好ましく、１．２μｍ以上であることがより好ましい。制御光Ｃ１の波長が赤外光の場合は、制御光Ｃ１の波長が可視光の場合より偏光方向を回転させる効率が高い。
　制御光Ｃ１が光スイッチ素子１０に照射されると、物質Ｍ１内で電子が励起される。励起された電子は、例えば、ｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｘ、ｄｘｙの順に、異なる自由度の軌道を環状にねじれながら遷移する。電子がｔ２ｇ軌道間を環状に伝搬すると、軌道角運動量が生じ、ｃ軸方向に磁化が生じる。物質Ｍ１に磁化が生じると、信号光Ｌ１は光スイッチ素子１０を通過することで信号光Ｌ２となる。信号光Ｌ２は、信号光Ｌ１に対して偏光方向が回転している。信号光Ｌ２と信号光Ｌ１との間の角度を回転角度θと称する。偏光回転の方向は、円偏光のヘリシティ（右回りσ＋、左回りσ－）に依存して変化する。円偏光のヘリシティが右回りσ＋の場合は反時計回りに回転し、円偏光のヘリシティが左回りσ－の場合は時計回りに回転する。また回転角度θは、光スイッチング素子１０のｚ方向の厚み、制御光Ｃ１の強度に応じて変化する。光スイッチング素子１０のｚ方向の厚みが厚いと、回転角度θは大きくなる。制御光Ｃ１の強度が強いと、光スイッチング素子１０の回転角度θは大きくなる。
　偏光板４０が通過できる偏光方向を信号光Ｌ２と一致させておいた場合は、制御光Ｃ１を照射した際に、偏光板４０を透過する光の透過量が多くなる。偏光板４０が通過できる偏光方向を信号光Ｌ１と一致させておいた場合、制御光Ｃ１を照射した際に、偏光板４０を透過する光の透過量が少なくなる。光スイッチ装置１００は、例えば、光の透過量が閾値以上の場合を「ＯＮ」、閾値以下の場合を「ＯＦＦ」とするスイッチング動作を行う。
　第１実施形態にかかる光スイッチ装置１００は、励起された電子が異なる自由度の軌道間を環状にねじれるように遷移することで、軌道角運動量を生じ、信号光Ｌ１の偏光方向を回転させる。当該原理は、従来の逆ファラデー効果を利用した光磁気効果と異なり、長距離の磁気秩序を持たない状態（相）でも発現する。すなわち、第１実施形態にかかる光スイッチ装置１００は、ネール温度ＴＮによらず制御光Ｃ１により光スイッチ動作を行うことができる。逆ファラデー効果を利用した光磁気スイッチは、原理上、ネール温度ＴＮ未満でしか動作しないため、ネール温度ＴＮ以上で動作する第１実施形態にかかる光スイッチ装置１００は新たな原理によって動作していると言える。
　第１実施形態にかかる光スイッチ装置１００は、光通信システム、光コンピュータ等に用いることができる。
　図６は、第１実施形態にかかる光通信システム２００のブロック図である。光通信システム２００は、複数の送受信装置１１０を有する。送受信装置１１０のそれぞれは、送信装置１０１と受信装置１０２とを有する。送信装置１０１は、信号発生部５０と光スイッチ装置１００とを有する。受信装置１０２は、光電変換素子６０と信号処理素子７０とを有する。
　信号発生部５０は、デジタルの信号を発生する。制御素子３０は、信号発生部５０から入力された信号に基づいて制御光Ｃ１を光スイッチ素子１０に照射する。光スイッチ素子１０は、光源２０から照射された信号光Ｌ１の偏光方向を制御光Ｃ１に応じて回転させる。光スイッチ装置１００は、偏光板４０が通過できる偏光方向と信号光の偏光方向との一致度に応じて、異なる強度の光を出射する。すなわち、送信装置１０１は、信号発生部５０で生じたデジタル信号（例えば、“１”０”“１”“０”）を光信号（例えば、“ＯＮ”ＯＦＦ”“ＯＮ”“ＯＦＦ”）に置き換える。
　受信装置１０２は、送信装置１０１から出射された光信号を受信する。光信号は、光電変換素子６０で電気信号に置換され、信号処理素子７０で処理される。
　図７は、第１実施形態にかかる光コンピュータ３００のブロック図である。光コンピュータ３００は、例えば、光スイッチ装置１００と集積回路１２０とを有する。集積回路１２０は、記憶部８０と信号処理部９０を有する。記憶部８０に記録された情報は、制御素子３０へ送られる。制御素子３０は、記憶部８０に記憶された情報に基づいて、制御光Ｃ１を照射する。信号処理部９０は、光スイッチ装置１００から出射された光信号に基づいて処理を行う。
　ここまで光スイッチ装置１００の一実施形態を例示した。しかしながら、本発明は、当該実施形態に限られるものではない。例えば、図８に示すように、光スイッチ素子１０で反射した反射光を偏光板４０に入射させてもよい。図８は、第１変形例にかかる光スイッチ装置１００Ａの斜視図である。
（実施例１）
　光スイッチ素子１０として、α－ＲｕＣｌ３を用いて、光の偏光回転を検証した。光スイッチング素子１０のｚ方向の厚みは、５０μｍとした。実施例１では、光スイッチ素子１０に円偏光光を照射し、光スイッチ素子１０を透過して出射する光を測定した。そして、光スイッチ素子１０への入射光の偏光方向と出射光の偏光方向との回転角度θを求めた。
　光スイッチ素子１０に入射する制御光Ｃ１は、強度が４．０ｍＪ／ｃｍ２で、パルス幅２００ｆｓｅｃの円偏光パルスを用いた。円偏光パルスの光子エネルギーは、０．８９ｅＶ（波長１．４μｍ）とした。円偏光のヘリシティは、右回りσ＋と左回りσ－とのそれぞれで行った。また光スイッチ素子１０に照射する信号光Ｌ１は、直線偏向のプローブ光とした。信号光Ｌ１の光子エネルギーは、０．６２ｅＶ（波長２．０μｍ）とした。測定温度は、１６Ｋとした。
　図９は、実施例１の光スイッチ素子における円偏光励起による偏光回転の時間変化を示す。図９に示すように、制御光Ｃ１が照射されると、α－ＲｕＣｌ３による偏光回転が生じた。偏光回転の回転角度θは、４度以上であった。偏光回転の回転方向は、円偏光のヘリシティに依存していた。測定温度の１６Ｋは、α－ＲｕＣｌ３のネール温度（ＴＮ＝７Ｋ）よりも高温であり、スピンの長距離秩序を持たない量子スピン液体状態において、光スイッチ動作が生じていることが確認できた。すなわち、光スイッチ素子１０は、信号光Ｌ１を偏光回転させることができ、光スイッチ装置１００は、光スイッチ素子１０からの出射光の光路上に偏光板を挿入することで機能する。また光スイッチ素子１０がフェムト秒単位のパルス幅で動作していることから、光スイッチ装置１００は、高速通信にも対応することができる。
（実施例２）
　実施例２は、測定温度を２９５Ｋとした点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様の検討を行った。図１０は、実施例２の光スイッチ素子における円偏光励起による偏光回転の時間変化を示す。実施例２においても実施例１と同様の結果が示された。実施例２に示すように、光スイッチ素子は室温でも動作することが確認された。
（実施例３）
　実施例３では、測定温度を変えて、円偏光励起による偏光回転の回転角度θの最大値の温度依存性を測定した点が、実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様の検討を行った。図１１は、実施例３の測定結果を示す。
　図１１に示すように、いずれの温度でもα－ＲｕＣｌ３による偏光回転が生じた。一方で、α－ＲｕＣｌ３はネール温度ＴＮ以上で、偏光回転の回転角度θが大きくなった。すなわち、図５に示すような面内方向の長距離の磁気秩序が偏光回転を阻害していると言える。従来の逆ファラデー効果を利用した光磁気スイッチの場合は、ネール温度ＴＮ未満で偏光回転が生じ、ネール温度ＴＮ以上では偏光回転が生じない。したがって図１１に示す現象は、従来の逆ファラデー効果を利用した光磁気スイッチとは逆の挙動であり、異なる原理により偏光回転が生じていると言える。
（実施例４）
　実施例４では、量子多体効果を考慮した理論解析によって、α－ＲｕＣｌ３における光誘起磁化の発生機構を検討した。具体的には、図４に示すようなハニカム格子のｔ２ｇ軌道（ｄｙｚ、ｄｘｚ、ｄｘｙ軌道）間にオンサイトの電子間相互作用とスピン軌道相互作用があり、トランスファー積分が最近接サイトのみの場合を扱った。３回対称性を有する６サイトの周期系に対して、厳密対角化法による数値計算を行った。数値計算は、厳密対角化法によって得た電子状態に対する光照射効果を時間依存シュレーディンガー方程式によって行った。光励起は、パイエルス位相として導入し、励起エネルギーは実施例１と同等のモットギャップ以下とした。
　図１２は、実施例４の理論計算によって求められた円偏光励起によってα－ＲｕＣｌ３に生じる磁化の面直成分の時間変化を示す。図１２に示すように、理論的にも円偏光のヘリシティに応じて、面直逆向きの磁化が生じることが確認された。そして、理論計算の結果。この面直成分の磁化は、ハニカム格子の各サイト間で、励起された電子が異なる自由度の軌道を環状にねじれながらホッピング遷移する（例えば、ｄｘｙ→ｄｙｚ→ｄｚｘ→ｄｘｙ）ことで生じることが分かった。
（実施例５）
　実施例５は、信号光Ｌ１及び制御光Ｃ１の波長を変えて、円偏光励起による偏光回転の挙動を測定した点が、実施例１と異なる。
　図１３は、実施例５の測定結果を示す。図１３の（ａ）は、α－ＲｕＣｌ３（光スイッチング素子１０）の吸収波長を示す。図１３の（ａ）は、L. J. Sandilands et al., Phys. Rev. B 93, 075144 (2016).の図１（ａ）及び図４（ａ）に基づく。図１３の（ａ）に示す実線のグラフ及び点線のグラフは、いずれもα－ＲｕＣｌ３の吸収を示す。点線のグラフは、光子エネルギーが１．０ｅＶ以下（波長１．２４μｍ以上）の領域の実線のグラフを２５倍に拡大した図である。
　図１３の（ｂ）～（ｄ）は、異なる光子エネルギー（Ｅｐｕ）の制御光Ｃ１を光スイッチング素子１０に照射した際の回転角度θの変化を示す。図１３（ｂ）は、制御光Ｃ１の光子エネルギーを０．３ｅＶ（波長３．８μｍ）としたときの結果である。図１３（ｃ）は、制御光Ｃ１の光子エネルギーを０．６２ｅＶ（波長２．０μｍ）としたときの結果である。図１３（ｄ）は、制御光Ｃ１の光子エネルギーを０．８９ｅＶ（波長１．４μｍ）としたときの結果である。図１３の（ｂ）～（ｄ）の横軸は、信号光Ｌ１の光子エネルギーで、縦軸は回転角度θである。制御光Ｃ１は、強度が１．０ｍＪ／ｃｍ２で、パルス幅２００ｆｓｅｃの円偏光パルスを用いた。
　図１３（ｂ）～（ｄ）に示すように、信号光Ｌ１及び制御光Ｃ１の波長を変えた場合でも、光スイッチ動作が生じていることが確認できた。
　また図１４は、制御光Ｃ１の光子エネルギーを１．５５ｅＶ（波長８００ｎｍ）に変更した際に、偏光方向の回転角度θの時間変化を示す。α－ＲｕＣｌ３は、光子エネルギーが１．５５ｅＶの領域において、光子エネルギーが１．０ｅＶ以下の領域と比較して、光を大きく吸収する（図１３の（ａ）参照）。
　図１４の（ａ）は信号光Ｌ１の光子エネルギーを０．５４ｅＶ（波長２．３μｍ）とした結果であり、（ｂ）は信号光Ｌ１の光子エネルギーを１．０３ｅＶ（波長１．２μｍ）とした結果である。図１４の横軸は、制御光Ｃ１を照射後の経過時間であり、縦軸は回転角度θである。制御光Ｃ１は、強度が１．０ｍＪ／ｃｍ２で、パルス幅２００ｆｓｅｃの円偏光パルスを用いた。
　図１４に示すように、制御光Ｃ１を照射することで、回転角度θは変化した。一方で、光子エネルギーが１．０ｅＶ以下の領域における実験結果（図１３（ｂ）～（ｄ））と比較して、その回転角度は小さかった。
１…遷移金属元素、２…陰イオン、１０…光スイッチ素子、２０…光源、３０…制御素子、４０…偏光板、５０…信号発生部、６０…光電変換素子、７０…信号処理素子、８０…記憶部、９０…信号処理部、１００，１００Ａ…光スイッチ装置、１０１…送信装置、１０２…受信装置、１１０…送受信装置、１２０…集積回路、２００…光通信システム、３００…光コンピュータ、Ｃ１…制御光、Ｌ１，Ｌ２…信号光、ｓｐ１…第1スピン、ｓｐ２…第２スピン、θ…回転角度

Claims (7)

  1. 　ｄ軌道に電子を有する複数の遷移金属元素と、前記複数の遷移金属元素のそれぞれの周囲に配置された複数の陰イオンと、を有する物質を含み、
    　前記複数の遷移金属元素は格子状に配列し、前記複数の遷移金属元素のそれぞれのｄ軌道が分裂したｔ２ｇ軌道は環状に繋がり、
    　前記物質が長距離の磁気秩序を持たない状態で、制御光が照射された際に信号光を偏光回転させる、光スイッチ素子。
  2. 　前記複数の遷移金属元素の配列がハニカム格子状、三角格子状、カゴメ格子状のいずれかである、請求項１に記載の光スイッチ素子。
  3. 　前記物質がα－ＲｕＣｌ３である、請求項１又は２に記載の光スイッチ素子。
  4. 　前記制御光の波長が１μｍ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の光スイッチ素子。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の光スイッチ素子と、
    　前記光スイッチ素子に前記信号光を照射する光源と、
    　前記光スイッチ素子に前記制御光を照射する制御素子と、
    　前記光スイッチ素子を透過又は反射した光を偏光する偏光板と、を有する、光スイッチ装置。
  6. 　請求項５に記載の光スイッチ装置を備える、光通信システム。
  7. 　請求項５に記載の光スイッチ装置を備える、光コンピュータ。
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