大阪公立大、Beyond 5G/6Gの実現につながる高周波エレクトロニクス材料を確認

●6Gで求められる高周波数を実現する材料を探索

らせん構造磁石を用いて多値的なデバイス動作が可能に - 大阪府立大など

大阪公立大は6月21日、キラル磁性結晶の「キラル磁気ソリトン格子」(CSL)と呼ばれる磁気超構造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、理論上ながら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を確認したことを発表した。

同成果は、大阪公立大大学院 工学研究科 電子物理工学分野の島本雄介 日本学術振興会特別研究員(PD)、同・戸川欣彦教授、放送大学の岸根順一郎教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

第5世代移動通信システム(5G)では、数GHz～数十GHzの周波数帯域が利用されているが、無線通信をさらに大容量化・高速化するには、周波数帯域を拡張することが求められている。2020年の総務省の発表では、5Gの次世代であるBeyond 5Gとして、100GHz以上の周波数帯域の活用が求められているほか、アメリカ連邦通信委員会は、95GHzから3THzの周波数帯を第6世代移動通信システム(6G)と位置付けて研究開発を促進している。

マイクロ波を共鳴吸収する磁性体は高周波デバイスとして活用されているが、既存の強磁性材料では、動作可能な周波数は数GHzから70GHz程度に留まっており、6Gなどの次世代通信技術の開発には新たな物理現象を活用する必要があるとされている。

そこで研究チームは今回、強磁性材料よりも高い周波数帯で周波数可変な磁性材料を開発することを目的に、周期変調が可能な長周期磁気構造に注目することにしたという。

CSLは、スピンがらせん状にねじれた部位(ソリトン)が周期的に整列した磁気構造で、キラルな磁性結晶において自然に形成される。その特徴は、印加する磁場強度を変えることでソリトン同士の間隔＝らせん周期を連続的に変調できることであり、この特性は、微細加工技術を用いて作製されるフォトニック結晶などの周期が固定された人工超構造とは異なるという。また、高いコヒーレンス性と構造制御性を併せ持つ珍しい磁気超構造だという。

●サブテラヘルツ帯域で動作可能な高周波エレクトロニクス材料を確認
今回の研究では、マイクロ波分光法を用いてCSLを発現する典型物質として知られるキラル磁性結晶「CrNb3S6」が示す高周波特性が精査された。その結果、実験システムを改善して測定感度を向上させることで、磁気共鳴の高次モードが16GHzから40GHzという幅広い周波数帯で現れることを観測することに成功したとするほか、実験データの解析から、高次モードがCSLフォノンであることが実証されたとする。

CSLフォノンは、従来の強磁性共鳴よりも高周波かつ広帯域な範囲で現れる。また、共鳴周波数を変化させるのに必要な磁場の変化幅は、1つ目の高次モードは50mT、2つ目の高次モードは6mT、3つ目の高次モードは3mTであり、小さな磁場変化で周波数を変調することが可能だという。実験に用いられたネットワーク・アナライザーの上限周波数は40GHzであり、これが検出限界となったが、理論解析によると、3つ目の高次モードは100GHzを超えて成長すると見積もられるとしている。

また、実験データからCrNb3S6の反対称性相互作用(ジャロシンスキー・守谷相互作用)と、ハイゼンベルグ型の対称性交換相互作用の大きさが見積もられたところ、元素置換されたCrTa3S6結晶では、その物質パラメータからCSLフォノンの周波数がさらに高くなり、約450GHzに到達することが予測されたとする。

今回の成果について研究チームでは、サブテラヘルツ帯域まで磁気共鳴の周波数を変調するための新たな指導原理となるとしている。

また、サブテラヘルツ帯域で動作可能な高周波エレクトロニクス材料として次世代通信システムの技術開発に貢献することも期待されるとしており、今回は装置の性能限界である40GHzまでの観測だが、今後はより高周波で観測できるよう研究を進めていくとするほか、物質探索を進めていくことで、室温動作や減衰特性の向上が期待できるとしている。