可望改写集成光路历史!日本团队发明巨磁光法拉第效应材料

新技术 2018年05月01日

公益财团法人电磁材料研究所、国立大学法人东北大学和国立研究开发法人日本原子力研究开发机构于2018年3月29日联合宣布,全球首次成功开发出全新理念的磁光材料。在这种被称作“纳米颗粒结构”的新型磁光薄膜材料(Nanogranular Films)中,纳米尺寸的磁性金属颗粒被有效地分散在氟化物陶瓷基质里。在光通信通用频带(1550nm)下测试,该新型材料展示了高出传统实用材料铋铁石榴石(Bi-YIG)40倍的巨磁光法拉第效应(Faraday Effect)。此研究成果已发表在2018年3月21日的 《Scientific Reports》上。

磁光材料是指在紫外到红外波段,具有磁光效应的光信息功能磁性材料。磁光材料被广泛应用与激光、光电子和光子学领域各种功能的磁光效应器件,如调制器、隔离器、环行器、磁光开关、偏转器、相移器、光信息处理机、激光陀螺偏频磁镜、磁强计、磁光传感器等。尤其在以光学隔离器为代表的光通信系统中,有着举足轻重的基础作用。对具有实用价值的磁光材料一般需要具备较高的磁特性要求:须有较高磁光效应,如法拉第磁光旋转角和克尔磁光旋转角;较低的磁光损耗;较宽的磁光效应频带;以及较高的稳定性。

虽然磁光材料对高新信息技术是不可或缺,但是该领域的研究却一直鲜有突破。自1972年铋铁石榴石被发现以来,至今未有任何超过铋铁石榴石磁光法拉第效应的物质出现。另外,出于光学器件的微型化和集成化需要,磁光材料的薄膜化也在所难免。虽然对铋铁石榴石的薄膜化已有所研究,但是薄膜化后的磁光特性却大打折扣,较之块状铋铁石榴石相去甚远。也正因此,铋铁石榴石磁光薄膜问题严重制约了应用磁光法拉第效用的光学设备的相应设计与性能。

三家研究团队一直致力于研发具有纳米级精细复合结构的纳米颗粒磁光材料,此次终于成功开发出了和铋铁石榴石相比,具有超高法拉第磁光旋转角的薄膜材料。这种新材料是将直径仅为几纳米的铁钴合金磁性颗粒分散到由氟化铝、氟化钇等氟化物陶瓷组成的基质((Fe,FeCo)-(Al-, Y-fluoride))中获得的。之所以能够获得巨磁光法拉第旋转效应特性,是因为在这种特殊结构中,处于金属颗粒与陶瓷基质交界面上铁原子和钴原子的磁矩被增大的结果(图1)。

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图1 纳米颗粒薄膜磁光法拉第效应示意图

(磁光法拉第效应/法拉第旋转,是指沿着施加于磁性介质的磁场平行方向射入的光波,在穿过磁性介质时会出现转变偏振方向的现象)

此次研发的新材料,是45年来首次发现的比目前通用材料更具有巨磁光法拉第效应的磁光薄膜材料。有望通过应用该新材料,大幅度提升光学器件的性能,进而实现光学器件的微型化和集成化。类似于采用电信号的传统电子器件的进化过程,如果光学器件也能够集成化,则可取代电子形成“光子”集成回路,从而可以消除电磁噪声,实现高密度信息传递,并实现大幅节能减排。

文 客观日本编辑部

参考文献:
Giant Faraday Rotation in Metal-Fluoride Nanogranular Films. Nobukiyo Kobayashi, Kenji Ikeda, Bo Gu, Saburo Takahashi, Hiroshi Masumoto, Sadamichi Maekawa. Scientific Reports. (2018) 8:4978 DOI:10.1038/s41598-018-23128-5

相关链接:
巨磁光法拉第效应薄膜材料开发成功-45年来首次发现新型磁光材料(日文)[网址]

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