理研ら、極薄膜の磁石で100％の音波整流を実現：磁気と回転の結合に着目

理化学研究所（理研）と東京大学、日本原子力研究開発機構らによる国際共同研究グループは、磁気と回転の結合に着目し、極薄膜の磁石で表面音波の高い整流効果を実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

レイリー波の吸収量は磁場の方向に強く依存

　理化学研究所（理研）と東京大学、日本原子力研究開発機構らによる国際共同研究グループは2020年8月、磁気と回転の結合に着目し、極薄膜の磁石（Co₂₀Fe₆₀B₂₀）で表面音波の高い整流効果を実現したと発表した。

　今回の研究成果は、理研創発物性科学研究センター（CEMS）量子ナノ磁性研究チームの許明然研修生と東京大学物性研究所の大谷義近教授、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターの山本慧任期付研究員らによるものである。

　これまで、固体表面に沿って伝わる音波（レイリー波）は、薄膜の磁石を通過するときに、入射方向によって磁石への吸収量が異なるなど、「整流効果」を示すことが分かっていたという。ただ、その吸収量に大きな差はなく、ダイオードに相当する整流機能を実現するには何らかの工夫が必要といわれてきた。しかも、磁石の膜厚が薄くなるほど整流効果も弱くなるため、実用化には課題もあった。

　共同研究グループは今回、「磁気と回転の結合」に着目した。固体表面の回転運動と磁気の運動が結合することで、それぞれの回転方向によって磁石による音波の吸収が異なる。回転方向が同じであれば、方向が異なる場合に比べて、磁石による音波の吸収が強くなる。この原理によって、レイリー波が磁石を通過する時の透過率に違いが生じるという。

磁気と回転の結合によるレイリー波の整流 出典：理研他

　実験に向けて、圧電素子であるニオブ酸リチウム基板上に、TaやCo₂₀Fe₆₀B₂₀、MgO、Al₂O₃を積層した素子を試作した。磁石となるCo₂₀Fe₆₀B₂₀層は膜厚が1.6nmである。磁気とひずみの結合は実質的に無視できる小ささである。これを用いて磁気と回転の直接結合が、レイリー波の吸収に与える影響を調べた。

　試作した素子で、片側の電極で発生させたレイリー波が、磁石を通過する際の吸収量を測定した。測定結果によれば、伝搬方向（±k）に依存して吸収量（P_±k）が大きく変化した。このことから、Co₂₀Fe₆₀B₂₀の極薄膜が高い整流機能を示していることを確認した。整流効果は77％だという。

測定に用いた素子の模式図と音波吸収量 出典：理研他

　実験結果より、レイリー波の吸収量は磁場の方向に強く依存することが明らかとなった。磁場の向き（角度φ）を変えることで、磁石による整流効果がどのように変化するかも検証した。これまでの研究では左右に伝わる波で吸収に差はあるものの、透過率は低下していた。今回の実験では、磁場の向きを最適化することで、100％の整流効果を得られることが分かった。この時、右方向に伝わる波は、ほとんど吸収されずに透過した。

音波吸収量と磁場方向の依存性 （クリックで拡大） 出典：理研他

　今回の成果について共同研究グループは、「まだ音波整流の原理開拓の段階」としながらも、「音響整流について、より工学的な研究がさらに加速する」とみている。また、「既に表面音波が用いられているセンサーや信号フィルターにおいて、磁気薄膜による整流効果が新しい機能をもたらす可能性が高い」という。