提出了面向6G通信的光源新原理--期待实现可进行频率变换的时间调制磁性超材料
【发表要点】 提出了第六代移动通信系统( 6G通信) (注1 )中不可缺少的产生高频毫米波和太赫兹光的光源新原理。 新的光源使用使用磁铁的人工结构物质(磁性超材料(注2 ) )。 本研究有望与时间调制磁性超材料的开发，进而实现6G通信用的新光源。
【概要】 实现超过现在第五代的超高速、大容量数据通信的6G通信需要产生高频毫米波和太赫兹光的新光源。 新光源发出的毫米波和太赫兹光负责承载大容量数据并高速传输。 为了超低功耗和低成本化，使这样的光源小型化并使其在室温下工作是极其重要的。 东北大学高级教养教育学生支援机构的儿玉俊之特任助教、多元物质科学研究所的菊池伸明副教授、冈本聪教授、研究生院理学研究科的大野诚吾助教、高级教养教育学生支援机构的富田知志副教授(兼任研究生院理学研究科)通过组合被称为自旋注入的自旋电子学(注3 )方法， 成功地使磁性超材料对微波的响应发生了较大的变化，提出了基于嵌入磁体的超材料的新光源原理。 我们认为，通过发展这种方法，可以实现随时间变化超材料对微波响应的时间调制磁性超材料。 使用时间调制磁性超材料，可以将微波频率转换为毫米波，将毫米波频率转换为太赫兹光。 这关系到实现在室温下工作的6G通信用的新的频率可变的小型光源。 本成果于4月26日(当地时间)刊登在美国物理学会的专业杂志Physical ReviewApplied上。
【详细说明】 研究背景 第六代( 6G )通信需要产生高频电磁波毫米波和太赫兹光的新光源。 新光源发出的毫米波和太赫兹光负责承载大容量数据并高速传输。为了超低功耗和低成本化，需要改变该光源的频率，使其小型化并在室温下工作。 然而，目前还没有这样的光源的有效候选。 因此，本研究小组致力于利用折射率随时间变化的时间调制超材料引起的非线性光学效果(注4 )，开发面向6G的新光源。到目前为止，超材料是折射率在空间上受控制的“空间调制超材料”。 使用它们实现了使光向非天然物质的方向弯曲的负折射率、使物体不可视化的透明斗篷等。与此相对，近年来，使折射率随时间变化的“时间调制超材料”备受关注。 使用时间调制超材料时，可以通过非线性光学效果进行电磁波的频率转换。 本研究小组使用该时间调制超材料进行的频率变换，目标是实现小型且室温工作的6G用新光源。 在电磁学中，折射率用描述物质电响应的介电常数、描述磁响应的磁导率和各自平方根的乘积来表示。 到目前为止开发的时间调制元材料是通过时间调制介电常数来时间调制折射率的。 另一方面，迄今为止几乎没有报告过对磁导率进行时间调制的方法。 但是，在磁物理和磁工学领域，已知磁导率在铁和镍等强磁性体的磁矩的旋进运动的共振(强磁性共振) (注5 )附近有很大的变化。
这次的措施 因此，本研究小组将磁物理和磁工学的知识融合在超材料中，致力于对磁导率进行时间调制的时间调制磁性超材料的原理验证实验。 在本研究中，制作了磁铁(镍和铁合金坡莫合金)和重金属(白金)的双层膜。 在双层膜中通入交流电流后，铂的大自旋轨道相互作用产生的自旋霍尔效应(注6 )产生自旋流。 通过该自旋流注入坡莫合金(自旋注入)，对坡莫合金的磁化产生自旋扭矩(注7 )，引起强磁性共振(自旋扭矩·强磁性共振) (图1 )。 在此基础上，通过同时流通直流电流，也注入了直流的自旋流。 这里值得注意的是，通过在基板上使用硅，热传导性变好，可以在双层膜中流过大电流。 这可以实现强自旋注入。 结果，对坡莫合金作用了较大的扭矩，使共振条件发生了很大的变化。 使用这些实验结果的理论计算表明，随着共振条件的变化，磁导率发生了很大的变化(图2 )。 今后，通过用其他交流电流替换该直流电流，可以实现时间调制磁性超材料。
今后的发展 应用时间调制磁性超材料，可以实现在室温下工作的频率可变且小型的6G通信用光源。 而且，如果组合不仅能同时时间调制磁导率，还能同时调制介电常数的介质，就有可能出现被称为菲涅耳拖曳的模仿移动介质的现象，从基础物理的观点来看，也有望得到广泛的发展。
图1 .此次实现的磁性超材料。 由磁性金属坡莫合金和重金属白金双层膜形成。
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