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従来の40倍もの巨大ファラデー効果を示す薄膜材料の開発に成功 ~45年ぶりの新しい磁気光学材料の発見~

 公益財団法人 電磁材料研究所(電磁研),東北大学,国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構(JAEA)は2018年3月29日,電磁研の小林 伸聖 主席研究員ら,東北大学 学際科学フロンティア研究所の増本 博 教授ら,JAEA先端基礎研究センターの前川 禎通 センター長らの研究グループが,全く新しい発想により巨大ファラデー効果を示す薄膜磁気光学材料の開発に成功したと共同発表した.開発した材料は,ナノグラニュラー構造と呼ばれる,nmサイズの磁性金属粒子をセラミックス中に分散させたナノ組織を有する薄膜材料であり,実用材料であるビスマス鉄ガーネット(Bi-YIG, Yttrium Iron Garnet)の約40倍もの巨大なファラデー効果を示す.本成果は,英国の科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).

 ファラデー効果は磁気光学効果の一種で,磁性体に加えた磁界に平行な方向に入射する光の偏光面が磁性体を透過するにしたがって回転する現象である.ファラデー効果を示す材料は光アイソレータに組み込まれ,入射光を一方向だけに伝え,途中で反射して戻ってくる光を阻止する.光アイソレータは半導体レーザを安定に発振させるために必須のデバイスであり,光通信システムに広く用いられている.しかしながら,1972年にBi-YIGが発見されて以来,Bi-YIGを超えるファラデー効果を有する物質は見つかってない.さらに,光アイソレータの小型化のため,Bi-YIGの薄膜化の検討がなされてきたが,それらの特性はバルクBi-YIGに大きく劣っている.

 これに対し本研究グループは,nmスケールの強磁性金属を透明な絶縁相中に分散させたナノグラニュラー膜を作製することで,従来の40倍ものファラデー効果を示す薄膜材料を見出すことに成功した.ナノグラニュラー材料では物性が異なる2つの相がnmスケールで混在し,金属と絶縁体の含有比率の違いによって物性が大きく変化する.金属が多い組成では金属特有の物性が,絶縁体が多い組成では誘電特性や光透過特性が期待され,中間領域では両相の機能が複合した特性が期待できる.さらにナノグラニュラー膜は,工業的に用いられるスパッタ法で容易に作製でき,再現性や耐熱性にも優れているので,実用性が高い.

 今回の研究では,鉄(Fe)-コバルト(Co)合金と,光透過性が優れるフッ化アルミニウム(AlF3)やフッ化イットリウム(YF3)のターゲットを用いたスパッタ法によりナノグラニュラー膜(厚さ0.3~1.0μm)を作製した.作製された膜の組成は波長分散分光法で求めた.光通信に用いられる波長(1550nm)でのファラデー回転角は,Bi-YIGバルクの0.11deg./μmに対して,Fe21Co14Y24F41膜は4.0deg./μmと約40倍もの大きな値を示した.膜中では両者が分離して存在するが,両者の界面において Fe や Co 原子の軌道磁気モーメントが増大していることが第一原理計算によって確認された.磁性体の軌道磁気モーメントがファラデー効果に寄与することから,ナノグラニュラー構造のFeCo磁性グラニュールとフッ化物マトリックスとの界面構造状態を制御することで,巨大ファラデー効果が実現したと考えている.

 この新しい磁性材料は,45年ぶりに見出され,従来材料よりもはるかに大きなファラデー効果を示す.この薄膜材料を用いることにより,光アイソレータの大幅な小型化が可能となる,としている.

(注)Nobukiyo Kobayashi, Kenji Ikeda, Bo Gu, Saburo Takahashi, Hiroshi Masumoto, and Sadamichi Maekawa, "Giant Faraday Rotation in Metal-Fluoride Nanogranular Films", Scientific Reports, Vol. 8, Article number: 4978 (2018), doi: 10.1038/s41598-018-23128-5; Published online: 21 March 2018