東大ら,ファラデー効果による電気的光制御に成功

東京大学,豊田工業大学,電力中央研究所,東北大学などからなる研究グループは,自然界では磁石として存在するコバルト(金属)を薄膜にし,その磁力を電気的にオンオフする技術を用いて,ファラデー効果自体をオンオフすることに成功した(ニュースリリース)。

ファラデー効果は,光が物質を透過するときにその偏光面が回転する現象として知られている。例えば,磁性体の膜に光を透過させたとき,光の偏光面の回転は磁性体の磁化の方向に依存する。そのため,磁界を使って磁化の方向を変えることで,偏光面の回転を制御することができる。

このような手法は,光を一方向にのみ透過する光アイソレータに用いられてきた。一方で,ファラデー効果を電気的に制御する手法はこれまでほとんど報告がなく,研究グループは磁性の電界効果に注目して研究を進めてきた。

コンデンサでは,2枚の金属の膜状電極間に電圧を加えて,電荷を蓄積する。磁性の電界効果とは,コンデンサの片方の電極が磁性体となっているときに,その磁気的性質が電圧によって変化する現象。磁性体表面に電界が加わり,それにより磁性が変化するため磁性の電界効果と呼ばれている。

研究グループはこれまでに,自然界では磁石として存在するコバルトの薄膜を一方の電極としたコンデンサ構造を用いて,その磁力を電圧でオンオフすることに成功してきた。今回この技術を用い,コバルトを透過する光の偏光面の回転(ファラデー回転角)を電圧で制御することに成功した。

電圧で磁力をオンオフできるということは,コバルトが磁石になったりならなかったりすることが制御できるということ。研究により,ファラデー効果そのものを発現させたり,消失させたりすることが電気的にコントロールできるようになった。

研究では1㎚以下の非常に薄いコバルト膜を用いているため,十分に光が透過する。また,膜を支える基板には透明なガラスを用いており,コバルトの下地金属や電極にも工夫を施しているために,素子を光が透過できるようになっている。

原理的には,用いた素子を二枚の偏光板に挟み電圧を加えると,光スイッチと呼ばれる,光を透過させたり遮ったりすることができるようになる。また,コンデンサのような構造であるため,小型化が可能で素子の集積化にも向いているだけでなく,電荷の充放電に要する電力だけで光のスイッチが可能であるために省エネ化にも大きく貢献することが期待されるという。

現段階では回転角の制御量が実用レベルよりかなり小さいという課題がある。これは,コバルトを薄くしないと光が透過しないという根本的な問題があるため(ファラデー回転角は一般的には磁性体の厚みに比例して大きくなる)。しかし,この問題を克服するいくつかの改善策も検討しており,今後それらの検証を行なっていくとしている。

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