電気回路の基本要素 -インダクタ- の「ねじれ」をほどく ～電子スピンの量子相対論効果で電力制御研究に新展開～

電気回路の基本要素 -インダクタ- の「ねじれ」をほどく～電子スピンの量子相対論効果で電力制御研究に新展開～

2022年4月14日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇学际科学フロンティア研究所　新领域创成研究部　助教　山根结太

【発表のポイント】

スピントロニクス技术を利用した、新しいインダクタ原理を提案
従来のコイルや磁気构造のような「ねじれ」の必要ない「普遍的な磁性材料」でインダクタ机能が発现
従来技术では难しい小型素子や、机械动作部品を用いない可変インダクタへ繋がる基础理论を确立

【概要】

インダクタ^＊１は、抵抗やキャパシタと并んで、様々な电子机器で幅広く利用される电気回路の基本要素です。通常インダクタは、ねじれた导线（コイル）で実现され、导线を流れる「电流の时间変化」を「起电力」に変换する机能（インダクタンス）を示します。ごく最近、量子现象に基づく「创発インダクタ」が提案?実証され、コイルに基づく従来技术が抱える原理的な制限（インダクタンスの大きさのコイルサイズ依存性等）を克服する试みが始まりました。ここでは、らせん磁性金属という、ねじれた磁気をもつ特殊な材料が用いられていました。

东北大学学际科学フロンティア研究所の山根结太助教、电気通信研究所の深见俊辅教授、日本原子力研究开発机构の家田淳一研究主干は、量子相対论効果である「スピン轨道相互作用^＊２」により、创発インダクタ机能が、より普遍的な（空间的に一様な磁気构造を持つ）磁性材料で生じることを理论的に明らかにしました。本成果により、创発インダクタは特殊な材料、狭い温度?周波数帯に限られた机能ではなく、様々な材料系で出现しうるものであることが明らかになり、量子现象による电力制御などへの展开も期待されます。また、本原理によれば、ゲート电圧によってスピン轨道相互作用を制御することで、従来のコイルインダクタでは必要な机械动作部品を用いない可変インダクタへの展望も开けます。今后、この原理の実証研究を推し进めることで、电子スピンを介したエネルギー変换现象に基づく、次世代の基盘量子技术の开発が切り开かれていくものと期待されます。

本研究成果は2022年4月7日付（米国時間）で、米国物理学会誌「Physical Review Letters」にてオンライン公開されました。

図１) 本研究で予言されたスピン軌道創発インダクタと、これまで知られていたインダクタの比較。LとCはそれぞれ、コイルのインダクタンスとキャパシタンス。

【用语解説】

＊１　インダクタ
「时间変化する电流」を「起电力」に変换する回路素子。抵抗、キャパシタと并び叁大受动素子の一つ。电流の急激な変化を抑制する働きをすることから、电源回路や高周波フィルタ、変圧器等に幅広く利用される。现在普及しているインダクタは全て、ねじれた导线（コイル）を利用しており、その动作原理は１９世纪に発见された电磁诱导の法则に基づく。

＊２　スピン轨道相互作用
电子は「电気」の担い手であると同时に、それ自身がミクロな「磁石」でもある(スピン磁気モーメント)。スピン轨道相互作用とは、电子の持つスピン磁気モーメントと、その电子の轨道运动とを结びつけるものである。スピン轨道相互作用の起源は、电子自身の轨道运动（轨道电流）が作り出す磁场が、电子のスピン磁気モーメントに作用するものとして理解できる。物质中での具体的なスピン轨道相互作用は様々な形をとるが、本研究では特に空间反転対称性の破れに起因するものを考える。

详细（プレスリリース本文）