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March 19, 2010 space
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絶縁体が電気信号を伝達!300年の常識を覆す夢の「8割省エネ」

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電気を通さないと常識では考えられていた「絶縁体」物質に、磁気を使った方法で電気の信号を通すことに、東北大金属材料研究所の斉藤英治教授(物性物理学)らのチームが世界で初めて成功したそうです。
 
 絶縁体と言う意味すら失わせるこの発見を、IC(集積回路)チップに使った場合、現在のチップの配線に用いられている銅線に比べエネルギー消費量が8割も軽減すると予測され、今後開発次第では、電子回路の多くを熱エネルギー(抵抗損失)として失っている消費電力を激減させる革新的な省エネルギー技術の開発につながる可能性を秘めています。3月11日に、英科学誌「ネイチャー」で発表されました。
 

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 絶縁体そのものには電流が流れないため、ジュール熱はゼロ。伝達によるエネルギーの損失はごく小さく、集積回路クラスなら消費電力は約80%削減できる計算だという。斉藤教授は「絶縁体では電気信号を伝えられないという300年来の常識を覆す発見。省エネなどさまざまな応用が期待できる」と話している
 
 電気を通さない「絶縁体」の物質に、磁気を使った方法で電気の信号を通すことに、東北大金属材料研究所の斉藤英治教授(物性物理学)らのチームが世界で初めて成功した。IC(集積回路)チップに使う場合、銅線に比べエネルギー消費量が8割軽減するとみられる。今後、革新的な省エネルギー技術の開発につながりそうだ。
 
11日、英科学誌「ネイチャー」で発表した。金属や半導体に電流を流すと、電子の移動に伴い発熱してエネルギーが失われ、省エネ化の妨げになっていた。斉藤教授らは磁気を生み出す電子の自転「スピン」に着目した。斉藤教授は06年、電子から電子へスピンが伝わる「スピン波」と電流を相互に変換できることを発見。今回はその理論を応用した。
 

Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator
 
cover_nature20100311.jpgThe energy bandgap of an insulator is large enough to prevent electron excitation and electrical conduction1. But in addition to charge, an electron also has spin2, and the collective motion of spin can propagate―and so transfer a signal―in some insulators3. This motion is called a spin wave and is usually excited using magnetic fields. Here we show that a spin wave in an insulator can be generated and detected using spin-Hall effects, which enable the direct conversion of an electric signal into a spin wave, and its subsequent transmission through (and recovery from) an insulator over macroscopic distances. First, we show evidence for the transfer of spin angular momentum between an insulator magnet Y3Fe5O12 and a platinum film. This transfer allows direct conversion of an electric current in the platinum film to a spin wave in the Y3Fe5O12 via spin-Hall effects4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Second, making use of the transfer in a Pt/Y3Fe5O12/Pt system, we demonstrate that an electric current in one metal film induces voltage in the other, far distant, metal film. Specifically, the applied electric current is converted into spin angular momentum owing to the spin-Hall effect7, 8, 10, 11 in the first platinum film; the angular momentum is then carried by a spin wave in the insulating Y3Fe5O12 layer; at the distant platinum film, the spin angular momentum of the spin wave is converted back to an electric voltage. This effect can be switched on and off using a magnetic field. Weak spin damping3 in Y3Fe5O12 is responsible for its transparency for the transmission of spin angular momentum. This hybrid electrical transmission method potentially offers a means of innovative signal delivery in electrical circuits and devices.

 
 研究チームはICチップなどに使われる磁石の一種の「磁性ガーネット」という絶縁体を用意。両端に白金(プラチナ)の端子を取り付け片方の端子に電流を流した。すると電流が白金と絶縁体の境界面でスピン波を起こした。スピン波は反対側の白金の端子まで到達し、電流を発生させた。この方法だと電子は移動せず、発熱によるエネルギー損失は激減した。斉藤教授は「パソコンが次第に熱くなるように、電流による発熱は大きなエネルギー損失を起こす。絶縁体を使う信号伝達はこの問題の根本的解決法だ」と話している。
 
 パソコンなどに使われる素材を金属などから絶縁体に変えられれば、エネルギー損失が抑えられる。例として、集積回路に使われる長さ1000マイクロメートル(1ミリ)、幅0.1マイクロメートルほどの金属配線を絶縁体配線に変えれば、最低でも約80%のエネルギーを削減できるという。
 

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HOMENews BlogsScience | March 19, 2010 |  twitter Livedoor Buzzurl はてな Yahoo!ブックマーク人が登録
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