石山・後藤研究室

振動発電

　磁性体の中には、磁界に引き寄せられる性質を示すもの（強磁性体）があります。この強磁性体を磁界の中に置き磁化させると、伸びたり縮んだりし、わずかに形状が変化します。この現象のことを磁歪効果と呼びます。逆に強磁性体に力を加え、伸ばしたり圧縮させると磁気的性質が変化する現象は逆磁歪効果と呼ばれ、センサーなどに応用されています。
　私たちの研究室では、この現象を利用した振動発電の研究を行っています。例えば自動車や工場で動作する機械、歩行時に発生する振動など、身の回りに存在する振動のエネルギーを電力に変換するための研究に取り組んでいます。
　発電の基本的な構造は、細長く切った磁歪材料の一端を固定し、他端を自由にしておもりをのせたカンチレバー構造になっています。おもりが振動すると、磁歪材料が伸び縮みし、逆磁歪効果により磁化の強さに変化が生じます。磁歪材料にコイルを巻いておくことで、ファラデーの電磁誘導の法則により、コイルを貫く磁束が変化し、電圧が発生します。これが振動発電の基本的な原理となっています。

振動センサ

　近年、橋梁等のインフラの老朽化が問題となっており、その構造診断は現在、人の手による打音検査によって行われています。それに代わり、橋梁等の上を車両が通行する際の微少な振動をモニタリングすることでインフラの構造診断をする研究が行われています。それには、微少振動を検出するための高感度な振動センサが必要とされています。磁性体には形状を変化させると、インピーダンス（電気抵抗）が変化する性質があり、これを逆磁歪効果と呼びます。私たちの研究室ではこの性質を利用して、磁性体を基板上に成膜した薄膜状ひずみセンサを振動センサに応用する研究を行っています。

ハイパワーレーザ

　レーザ加工や自動車の衝突防止センサ、医療機器などでは、小型で高出力なパルスレーザが求められています。パルス光を取り出すQスイッチには電気光学素子や音響光学素子が使われてきましたが、厚い結晶や大型の制御電源が必要で、小型化が困難でした。
　私たちの研究室では、迷路状の磁区をもつ透明な磁性ガーネット膜を用いることで、集積化できる磁気光学Qスイッチを世界で初めて実現しました。共振器長10mmの小型レーザで、ピーク出力1.1キロワット、パルス幅25ナノ秒を達成しています。従来は困難と考えられていたランダム偏光（無偏光）の光にも有効であり、レーザの小型化と低コスト化につながると期待されます。

プレス1 プレス2

スピン波IC

　半導体回路は電流で情報を伝えるため、微細化が進むほど発熱が問題になります。私たちの研究室では、磁石の中を伝わる波であるスピン波を用いて、電流を流さずに情報を処理する集積回路（スピン波IC）の実現を目指しています。
　これまでに、磁性絶縁体である磁性ガーネットと金の膜を組み合わせ、伝播損失を100分の1に抑えた位相干渉器を実現しました。さらに、Ψ型の導波路を用いて、GHz帯で動作する否定論理積（NAND）・否定論理和（NOR）の演算を世界で初めて実証しました。また、銅の微小な円板を六角形に並べた二次元マグノニック結晶によってスピン波を反射する周波数帯域を作り出し、Z型に曲げた導波路でも従来の5,000倍以上の強度で伝えられることを示しています。

プレス1 プレス2 プレス3 プレス4 プレス5 プレス6 プレス7

光アイソレータ

　インターネットの通信には光信号が使われており、反射して戻ってくる光を遮る「光アイソレータ」が欠かせません。しかし、高性能な磁気光学材料である磁性ガーネットはシリコン基板の上に直接作れず、貼り合わせの工程が必要だったため、光回路への集積が長年の課題でした。
　私たちの研究室では、レーザ光で必要な場所だけを加熱する「レーザアニール」を開発し、電極や光回路を傷めずに磁性ガーネットを結晶化できるようにしました。これにより、シリコン光回路上に直接集積した光アイソレータを世界で初めて実証しています。また、酸化セリウムのナノ粒子が分散したナノコンポジット磁性ガーネット膜により、従来の多結晶膜の約4倍となる性能指数510°/dBを達成しました。

プレス1 プレス2 プレス3

磁性ガーネット

　磁気光学デバイスやスピン波デバイスの性能は、その心臓部となる磁性ガーネット膜の品質で決まります。そこで私たちの研究室では、デバイスだけでなく材料開発も行っております。多結晶、単結晶の両方を作製しており、マグネトロンスパッタ（MS）、イオンビームスパッタ（IBS）、パルスレーザデポジッション法（PLD）、液相エピタキシャル（LPE）の経験があります。現在は、高い垂直磁気異方性を発現したことから、イオンビームスパッタに特に注目しています。最近では、格子定数の異なる基板の上でも垂直磁気異方性が得られることを示し、その起源が成長誘導磁気異方性であることを明らかにしました。これにより、基板の選択に縛られない材料設計が可能になります。