Beyond 5Gの実現に新たな光　キラル磁気超構造が示す集団共鳴運動の観察に成功－サブテラヘルツ帯まで広帯域に変調可能な高周波エレクトロニクス材料－

2022年6月21日

プレスリリース
工学研究科

ポイント

　◎キラル磁性結晶^※1に現れるキラル磁気ソリトン格子^※2と呼ばれる磁気超構造の集団共鳴運動を検出することに成功。

　◎共鳴周波数が16 GHzから40 GHz以上の広帯域にわたって変化することを観測。

　◎キラル磁性結晶の特性によっては450 GHz程度のサブテラヘルツ帯^※3で応答することも可能。

　◎広帯域での周波数可変の特性は、次世代通信技術の研究開発に活用されると期待。

概要

大阪公立大学大学院工学研究科電子物理工学分野の島本雄介(しまもとゆうすけ) 日本学術振興会特別研究員(PD)と戸川欣彦(とがわよしひこ)教授、放送大学岸根順一郎(きしねじゅんいちろう)教授らの研究チームは、キラル磁性結晶のキラル磁気ソリトン格子(Chiral soliton lattice: CSL)と呼ばれる磁気超構造^※4のマイクロ波領域における集団共鳴運動を実験的に観測することに成功しました。また、理論上は、その共鳴周波数が小さな磁場でもサブテラヘルツ帯まで広帯域に変調することが判明しました。

日本では数GHzから数十GHzの周波数帯域を利用する第5世代移動通信システム(5G)の商用化が進んでいますが、2020年には総務省が5Gの次の世代であるBeyond 5Gとして100 GHz以上の周波数帯域の活用の戦略策定を開始しています。無線通信をさらに大容量化・高速化するには周波数帯域を大幅に拡張することが求められています。

マイクロ波を共鳴吸収する磁性体は、磁気共鳴が生じる周波数が印加する磁場強度によって変化する特性を用いて、高周波計測装置や電波望遠鏡などに用いられるバンドパスフィルターに使用されており、高周波技術開発に必要不可欠な材料です。しかしながら、既存の磁性材料の周波数は数GHzから70 GHz程度に留まっており、次世代通信技術の開発には全く新しい物理現象の活用が求められていました。

本研究グループは、粒子性と波動性を併せ持つことから次世代情報媒体としての活用が期待されるCSLに着目し、マイクロ波分光法を用いて高周波特性を精査したところ、CSLが示す広帯域な集団共鳴運動を観察することに世界で初めて成功しました。CSLの優れた構造制御性によって生じる現象であり、磁気共鳴の周波数をサブテラヘルツ帯まで広帯域に変調するための新原理になります。この広帯域で周波数可変な特性は5Gを超え、次世代通信技術の開発に活用されると期待されます。

本研究成果は、2022年6月17日に米国物理学会が発刊する『Physical Review Letters』）に掲載されました。

＜用語解説＞
※1 キラル磁性結晶
　結晶構造にキラリティ（対掌性）を有する磁石のこと。キラル磁性結晶では、隣り合うスピンを垂直にひねる反対称性交換相互作用
　（ジャロシンスキー・守谷相互作用）が働くため、キラル磁気ソリトン格子やキラル磁気スキルミオンといったらせん状の磁気構造が
　発現する。
※2 キラル磁気ソリトン格子
　キラル結晶軸が単数の（単軸性の）キラルな磁石では、磁石が片巻きのらせん状に配列したキラルならせん磁気秩序が現れる。
　特に、キラル結晶軸に垂直な方向へ加えた磁場中では、キラルらせん磁気秩序のねじれが周期的にほぐれ、“キラル磁気ソリトン格
　子”と呼ばれる非線形で周期的な磁気秩序が現れる。
※3 サブテラヘルツ帯
　電磁波の周波数のことで1011Hzから1012Hz (100 GHz-1THz) までの周波数の幅（帯域）を意味する。ここで Hz（ヘルツ）は周波数
　の単位。周波数が1011Hz - 1013Hz の帯域にある電磁波はその目安となる周波数の大きさ 1012 を示す接頭語 T (テラ) にちなんで
　テラヘルツ波と呼ばれている。サブテラヘルツ帯にある電磁波を用いた通信技術の開発は Beyond 5G に向けた重要な課題となって
　いる。
※4 超構造
　同じ原子配列（単位構造）を規則的に並べることで結晶は形成されるが、単位構造よりも巨視的なスケールで現れる周期構造は、
　超構造あるいは超格子と呼ばれる。

キラル磁気ソリトン格子の集団共鳴運動の検出はキラル磁性研究に取り組み始めた頃からの目標でした。10年以上が経ってようやく実験に成功しました。得られた特性は予想を超えて素晴らしいものです。次世代通信技術に展開することを狙って研究を継続していきます。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　戸川欣彦　教授

資金情報

本研究は、日本学術振興会科研費基盤研究（JP17H02767）、文部科学省新学術領域研究「量子液晶の物性科学」及び「量子液晶の制御と機能 (計画研究)」(JP19H05822, 19H05826)の助成を受けて行いました。また、日本学術振興会特別研究員 (No. 21J14431)および大阪府立大学リーディングプログラムから支援を受けて行われました。

研究体制

本研究は、大阪公立大学の島本雄介博士研究員と戸川欣彦教授らが実験的検証を、放送大学の岸根順一郎教授らが理論的考察を進めました。また、キラル磁性結晶の創製は、大阪公立大学の研究グループが担当しました。

掲載紙情報

発表雑誌：	Physical Review Letters
論文名：	Observation of Collective Resonance Modes in a Chiral Spin Soliton Lattice with Tunable Magnon Dispersion
著者：	Y. Shimamoto, Y. Matsushima, T. Hasegawa, Y. Kousaka, I. Proskurin, J. Kishine, A. S. Ovchinnikov, F. J. T. Goncalves and Y. Togawa
掲載URL：	https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.247203

プレスリリース全文 (610KB)

研究内容に関する問い合わせ先

大阪公立大学大学院工学研究科
教授　戸川欣彦
TEL ：072-254-8216
MAIL：ytogawa [at]omu.ac.jp　[at]の部分を＠に変更してください。

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学事務局企画部広報課
担当：長谷川
TEL ：06-6605-3411
MAIL：koho-upco[at]list.osaka-cu.ac.jp　[at]の部分を＠に変更してください。

該当するSDGs

最新の研究成果