令和5年6月16日
国立研究开发法人日本原子能研究开发机构
电子电路的部件“电感器”在智能手机、可穿戴终端和车载电源等电子设备中，为了控制高频信号而被广泛使用。 电感器的社会需求不断增加，而在电子电路中占有较大的尺寸，因此根本性的小型化成为课题。 本研究利用绝缘体的一种“拓扑绝缘体”，设计了实现小型且省电的电感器的新原理。 在本研究提出的“绝缘体电感器”中，通过使用绝缘体薄膜，可以在将电力效率保持在传统型电感器的最高水平的同时，将尺寸(厚度)大幅小型化为传统的约10000。 由于“绝缘体电感器”的实现，将为此前困难的高频电路的小型、省电化开辟道路。 由此，所有电子设备都可以内置高级信息处理功能，期待为通过网络利用电子设备的“Internet of Things (IoT )”社会的发展做出贡献。
図１：本研究成果的概要图。 发现了与以往型电感器(线圈)相比，小型化为约10000的“绝缘体电感器”的实现方法。
什么是拓扑绝缘体:
国立研究开发法人日本原子能研究开发机构(理事长小口正范，以下称为“原子能机构”。 )尖端基础研究中心自旋-能源科学研究组荒木康史研究副主干、家田淳一研究主干，就作为电子电路基础的元件“电感器(注1 )”的功能而言，通过使用绝缘体薄膜，在保持与以往型电感器同等的电力效率的同时，设计并从理论上验证了可以将尺寸根本性地小型化的新原理。“电感器”是计算机和手机等高速处理电信号的所有电子电路中必需的元件。 产生电压(感应电动势)以妨碍电流的急剧变化，根据该特性(电感(注2 ) )用于交流电路中流动的高频信号的滤波、放大、电压的控制等。 一直以来，在商业上广泛普及的电感器中，使用了将导线缠绕了多层的线圈。 但是，这种形态的电感器无论多么小型都占0.1 - 1mm左右的尺寸，因此成为限制电子电路小型化的主要原因。 本研究新提出了通过使用绝缘体薄膜，可以在极小的尺寸上实现电力损失少的电感器的理论方案。 在这种新型电感器中，绝缘体中被称为“拓扑绝缘体(注3 )”和“磁性绝缘体(注4 )”的2种层叠使用(参照图2 )。 拓扑绝缘体内部没有电流，只有表面有电流流动，所以不会因多馀的电流引起电力损失。 另一方面，在其表面，电和磁的相互转换(注5 )起作用，通过交流电流使磁性绝缘体的磁性振动，另外，磁性振动产生交流电压。 我们发现，由此，流通交流电流时，(通过磁的振动)会产生相反方向的交流电压，可以实现相当于电感的功能。 根据本研究确立的理论估算，绝缘体电感器可以以约10 nm左右，即传统型的约10000的大幅薄型实现与传统型(线圈)同等的电感(参照图1 )。 此外，在电感器工作时的功率效率方面，绝缘体电感器也可以达到与传统型的最高值相媲美的功率效率。 本研究的成果是同时实现电子电路小型化和省电化的基础技术的立足点。 在设计高频电子电路中的电感器时，本研究展示的基础原理将提供简洁且有用的方针。 将以往在高速、大容量信号处理电路中占有较大尺寸的电感器大幅小型化和省电化是身边所有电子设备搭载高级信息处理功能的关键。 由此，有望为各种电子设备与网络联动发挥作用的“Internet of Things (IoT )”社会的发展做出巨大贡献。 本研究的成果于6月16日(星期五) 10点00分(日本时间)在线刊登在了日本物理学会杂志《journal of the physical society of Japan》上。
図２：本研究提出的“绝缘体电感器”的结构示意图。 在“拓扑绝缘体”和“磁性绝缘体”层叠系统中，使用流过接合面的电流。
在现代社会，随着信息化的飞速发展，使用电子线路的动作控制在所有设备中已经成为标准。 从电动汽车、飞机、人造卫星、工业机器、医疗机器，甚至家用电器，在各种各样的电子电路中，“电感器”是重要的构成要素。 电感器是电子电路的基本部件之一，具有产生电压(感应电动势)以妨碍电流急剧变化的被称为“电感”的特性。 在用于使电子设备动作的电源电路中，为了实现电流的稳定化和电压的转换，电感器是必需的。 另外，在高速、大容量的信号处理电路中，电感器起到了放大高频信号、消除噪声等帮助电子设备稳定动作的作用。 在向所有设备都与网络连接进行控制的“Internet of Things (IoT )”社会转型之际，电感器的需求规模进一步提高。 由于需要在各种设备中内置电路，因此对于作为其基本要素的电感器，也要求各个部件“小型化”且“省电化”。 作为电感器的基本构成要素，在磁性体(磁铁)上缠绕导线的线圈一直以来被广泛使用。 其基本原理是，电感的强度与线圈的大小(截面积)成正比，因此为了获得强电感需要增大线圈。 目前，商业上使用的高频电路用电感器，无论多么小型都占0.1–1 mm左右的尺寸，因此成为电路小型化时不可避免的障碍。 为了避免该原理上的障碍，2019年提出了不使用线圈的新形态“创发电感器(注6 )”，之后得到了证实。 创发电感器使用金属磁性体，是应用了磁性体所具有的磁性和电流之间作用的量子力学相互作用的东西(参照图3 )。 与传统型电感器不同，创生电感器的电感数值与磁性体层的截面积成反比。 因此，磁性体层越薄，越能够实现强的电感，作为电感器“小型化”的新技术备受期待。 但是，创发电感器存在电感器工作时的功率效率大幅恶化的问题。 创发电感器通过磁性体中的磁性振动(注7 )进行动作，但这需要流通大量的电流。 在金属中流动的电流会受到电阻的影响，因此发热(焦耳热)引起的能量损失是不可避免的问题。 表示电感器功率效率的值“q值(品质因数) (注8 )”，在目前报告的创发电感器中低于0.01。 这与以往型电感器中的q值= 10 - 100左右相比是极低的值，电感器的"小型化"和"省电化"仍然是权衡的课题。 本研究中，为了兼顾电感器的“小型化”和“省电化”的要求，设计了使用不受电阻影响的“绝缘体”的电感器，并明确了其性质。
在本研究中，作为可以兼顾电感器小型化和省电化的物质，着眼于被分类为“拓扑绝缘体”的物质。 由于金属在整体中流通电流，因此大量的电流流动会导致较大的能量损失。 另外，普通的绝缘体一般不通电，因此不能作为电感器使用。 另一方面，拓扑绝缘体内部不通过电流，只在表面通过电流。 而且，在其表面，被称为“拓扑电磁响应”的电和磁的相互转换起着很强的作用。 作为能够最大限度利用表面的电和磁的相互转换的结构，考虑在拓扑绝缘体的表面层叠磁性绝缘体的系统(图2 )，构筑了记述电子电路中的动作的基础理论。 当交流电流通过该层叠系统时，电和磁的相互转换=“拓扑电磁响应”，交流电流被转换为磁性绝缘体的磁性振动，进而该磁性振动被转换为交流电压。 对于这一系列的动作，从基础理论导出了电流和电压的关系式，结果发现在从低频(约10Hz )到高频(约10GHz )的频域中，作为电感器工作。 该“绝缘体电感器”的动作由表面电流完成，内部不需要流通多馀的电流，因此可以实现根本性的小型化(薄型化)、省电化。 绝缘体电感器与以往型电感器相比可以大幅薄型化。 对于拓扑绝缘体层，即使是约10纳米(1mm的十万分之一)的极薄的膜状，也作为绝缘体发挥作用。 另外，关于磁性绝缘体层，具有越薄越能得到大电感的特性(技术上达到数纳米左右)。 因此，将这两个层叠的元件的尺寸薄型化至以往型电感器(最小为0.1mm左右)的约10000，同时能够实现与以往型电感器相比更强的电感。 对于突发电感器中牺牲的电力效率，绝缘体电感器也可以保持较高的效率。 根据本研究的估算，绝缘体电感器中q值的最高值(在工作频率0.1GHz下)约达到1000。 这相当于传统型电感器所能实现的最高值，相当于比创发电感器高出约10万倍的电力效率。 这样，在使用拓扑绝缘体的绝缘体电感器中，通过理论计算验证了作为实现电子电路集成化的条件的电感器的“小型化”、“省电化”都能够不损失地并存(图3 )。
図３：本研究中新预言的“绝缘体电感器”、传统型电感器及创发电感器的特性进行比较的表。
本研究开发的“绝缘体电感器”相关基础理论，在电感器的“小型化”及“省电化”时，可以给出关于使用物质种类和适当动作频率等的简洁设计方针。 据此，在选择的物质和工作条件下，通过对电感器的特性进行更详细的调查，可以期待通过电路的集成化，本研究的成果将对以IoT为标志的高度信息化社会的发展做出巨大的贡献。
雑誌【论文信息】 杂志名称: journal of the physical society of Japan 标题: emergence of inductance and capacitance from topological electro magnetism (起因于拓扑电磁响应的创发电感电容) 作者: yasu fumi araki and jun’ichi ieda
本研究是在JSPS科研费/基础研究( s ) 19H05622、基础研究( a ) 21H04643、基础研究( c ) 22K03538、以及文部科学省卓越研究员事业的支持下进行的。
(注1 )电感器 构成电子电路的基本部件(元件)的一种。 产生与交流电流相反的电压(感应电动势)，起到抑制高频电流的作用。 用于高频信号的滤波和噪声的去除、特定频率的信号的提取(共鸣)等，是高速进行信息处理的电子设备中必须的元件。 (注2 )电感 电感器表现出的“对交流电流产生感应电动势”的效果。 电感的数值越大，产生的感应电动势越强。 电感的数值单位为“h (亨利)”，高频电路中常用1μH(1微亨利= 0.000001亨利)左右的电感。 (注3 )拓扑绝缘体 绝缘体的种类，内部不显示导电，仅在表面显示导电。 众所周知，由于电子的量子力学特性“拓扑”，即使在表面和结界面有混乱的情况下，表面(界面)传导的效果也会顽强地表现出来。 作为主要的构成物质，铋( Bi )、锑( Sb )、硒( Se )、碲( Te )等化合物经常被使用。 (注4 )磁性绝缘体 具有磁性(成为磁铁)的绝缘体的种类。 在不显示导电的同时，由于从外部施加磁场等，会发生磁性振动。 作为主要的构成物质，除了含有钇( y )、铽( Tb )等稀土类元素( r )的铁石榴石( R3Fe5O12 )以外，还可以在上述拓扑绝缘体物质中添加铬( Cr )、锰( Mn )等磁性元素 (注5 )电-磁相互转换(拓扑电磁响应) 在普通物质中，电流引起电压，磁场引起磁的振动。 另一方面，拓扑绝缘体具有交流电流引起磁振动，相反磁振动驱动交流电压的特性。 (注6 )创发电感器 2019年理论提出了新电感器的实现方法。 不使用线圈，而使用磁性体中的磁性振动来实现电感器的功能。 使用在金属中流动的电流来驱动磁性的振动。 (注7 )磁性振动 磁性体所具有的磁(磁化)具有方向，方向根据磁场和电流而变化。 因此，通过施加振动的磁场和交流电流，磁性的方向会从原来的位置振动。 (注8 ) q值(品质因数) 表征电感器功率效率的数值。 定义为“由电感产生的感应电动势”除以“由内部电阻产生的电压”。 也就是说，内阻的效果越小，q值越大。
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