JP2012169592A - Spin device driven by elastic operation - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control the state of physical properties of a functional material by applying a compact ultrasonic strain oscillation technology not only to metal or semiconductor but also to any functional material including insulator, magnetic body, or nonmagnetic body.SOLUTION: The spin device of the present invention comprises a functional material, the state of physical properties of which is controlled, a strain oscillator which imparts a dynamic elastic strain by coming into contact with the functional material or being bonded thereto, and a signal originator connected with the strain oscillator and controlling the oscillation strain by applying a signal obtained by performing frequency modulation or amplitude modulation for a resonance frequency inherent to the strain oscillator. The functional material operates the magnetic orientation state or electric conduction state of spin by the dynamic elastic strain being imparted thereto.

Description

本発明は、金属とか半導体に限らず、絶縁体さらに磁性体又は非磁性体といったあらゆる機能性材料の磁気秩序状態或いは電気伝導状態を、それに与える力学的な弾性ひずみで操作するスピンデバイスに関する。   The present invention relates to a spin device that manipulates the magnetic ordered state or the electrical conduction state of any functional material such as an insulator, a magnetic body, or a non-magnetic body with a mechanical elastic strain, not limited to metals and semiconductors.

今日の現代社会は、電子のもつ「電荷」と「スピン」という２つの自由度のうち、「電荷の流れ」つまり「電流」を利用した「半導体を基盤とするエレクトロニクスデバイスや金属材料」によって支えられている。しかし、そこでは常にジュール熱によるエネルギー損失が問題となっており、電流の保存・貯蔵が困難であるとともに、低炭素化社会実現のため不可避な重要な問題を内包している。   Today's modern society is supported by “semiconductor-based electronic devices and metal materials” that use “charge flow”, or “current,” of the two degrees of freedom of electrons, “charge” and “spin”. It has been. However, there is always a problem of energy loss due to Joule heat, and it is difficult to store and store current, and it contains important problems that are inevitable for realizing a low-carbon society.

特許文献１は、半導体基板上に、強磁性薄膜ではなく、強磁性細線を形成したスピンデバイスを開示する。強磁性細線が一軸の磁気異方性を有するようになるので、強磁性細線から半導体基板へのスピン偏極した電子の注入を実際に行うことができるようになる。しかし、このようなスピンデバイスは、強磁性体薄膜から半導体基板へスピン偏極した電子を注入し、そのスピン状態を利用して記憶あるいは増幅を行うものであるために、電子注入機構が必要となる。   Patent Document 1 discloses a spin device in which a ferromagnetic thin wire is formed on a semiconductor substrate instead of a ferromagnetic thin film. Since the ferromagnetic wire has uniaxial magnetic anisotropy, spin-polarized electrons can be actually injected from the ferromagnetic wire to the semiconductor substrate. However, since such spin devices inject spin-polarized electrons from a ferromagnetic thin film into a semiconductor substrate and perform storage or amplification using the spin state, an electron injection mechanism is required. Become.

また、人工的に合成される磁性体の多くは絶縁体であり、絶縁性磁性体における電気信号移送が実現されることによって、今後、その省エネ効果ゆえに絶縁体ベースのスピンデバイスの需要が高まっていくことが予想される。しかし、絶縁体の場合、仮に試料表面にスパッタ法などによって直接端子づけができたとしても、導電性がないため電流で駆動するデバイスは作成できない。現在のところ、金属層との相互作用を利用したスピン波移送(非特許文献１)や構造不安定相をターゲットにした電気磁気効果の研究(非特許文献２)はあるが、実用化を睨んだデバイス化を考えた時、大規模予算と大規模設備が必須であり、実用化研究の選択肢が限定されてしまう。   In addition, many of the artificially synthesized magnetic materials are insulators, and the realization of electrical signal transfer in insulating magnetic materials will increase the demand for insulator-based spin devices due to its energy saving effect. It is expected to go. However, in the case of an insulator, even if a terminal can be directly connected to the sample surface by sputtering or the like, a device driven by an electric current cannot be produced because of lack of conductivity. At present, there are researches on the spin wave transfer using the interaction with the metal layer (Non-patent Document 1) and the electromagnetic effect targeting the structurally unstable phase (Non-patent Document 2). However, when considering device development, a large-scale budget and large-scale facilities are essential, and options for practical research are limited.

特開2003-60211JP2003-60211 特開2008-082719JP2008-082719

Y. Kajiwara, K. Harii, S. Takahashi, J. Ohe, K. Uchida, M. Mizuguchi, H. Umezawa, H. Kawai, K. Ando, K. Takanashi, S. Maekawa and E. Saitoh “Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator” Nature 464(2010)262.Y. Kajiwara, K. Harii, S. Takahashi, J. Ohe, K. Uchida, M. Mizuguchi, H. Umezawa, H. Kawai, K. Ando, K. Takanashi, S. Maekawa and E. Saitoh “Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator ”Nature 464 (2010) 262. M. Saito, K. Ishikawa, S. Konno, K. Taniguchi and T. Arima “Periodic rotation of magnetization in a non-centrosymmetric soft magnet induced by an electric field” Nature Mat. 8(2009)634.M. Saito, K. Ishikawa, S. Konno, K. Taniguchi and T. Arima “Periodic rotation of magnetization in a non-centrosymmetric soft magnet induced by an electric field” Nature Mat. 8 (2009) 634.

本発明は、小型化された超音波ひずみ発振技術を、金属とか半導体に限らず、絶縁体さらに磁性体又は非磁性体といったあらゆる機能性材料に適用して、該機能性材料の物性状態をリアルタイムに制御することを目的としている。   The present invention applies the miniaturized ultrasonic strain oscillation technology to any functional material such as an insulator, a magnetic material, or a non-magnetic material in addition to a metal or a semiconductor, so that the physical property state of the functional material can be determined in real time. The purpose is to control.

絶縁体の磁気特性操作或いは導電性を有する磁性体の特性操作に利用することにより、新しいタイプの磁気特性操作技術を確立したスピンエレクトロニクス素子を開発することができる。また、例えば金属線材に力学的弾性ひずみを与えることでその電気伝導状態（電気抵抗）を制御することができ、或いは超伝導体に力学的弾性ひずみを与えることで超伝導状態を制御することができる。なお、ひずみの効果は、特許文献２に開示の精密磁気測定技術によって観測することができる。   By utilizing the magnetic characteristic manipulation of an insulator or the characteristic manipulation of a magnetic substance having electrical conductivity, a spin electronics element that has established a new type of magnetic characteristic manipulation technique can be developed. Further, for example, it is possible to control the electrical conduction state (electric resistance) by applying mechanical elastic strain to the metal wire, or to control the superconductive state by applying mechanical elastic strain to the superconductor. it can. The effect of strain can be observed by the precision magnetic measurement technique disclosed in Patent Document 2.

本発明の弾性操作で駆動するスピンデバイスは、物性状態が制御される機能性材料と、該機能性材料に接触或いは結合して力学的な弾性ひずみを与えるひずみ発振子と、該ひずみ発振子に接続して該ひずみ発振子に固有な共鳴周波数に対して周波数変調或いは振幅変調した信号を印加し、その発振ひずみを制御する信号発信機とを備える。この機能性材料は、スピンの磁気配向状態或いは電気伝導状態を、それに与える力学的な弾性ひずみで操作する。   The spin device driven by the elastic operation of the present invention includes a functional material whose physical property state is controlled, a strain oscillator that contacts or couples with the functional material and applies mechanical elastic strain, and a strain oscillator. A signal transmitter for connecting and applying a frequency-modulated or amplitude-modulated signal to the resonance frequency unique to the distorted oscillator and controlling the oscillation distortion. This functional material manipulates the magnetic orientation state or electrical conduction state of the spin with a mechanical elastic strain applied thereto.

上記の振幅変調により、ひずみ発振子の共鳴周波数の電圧値を変化させた信号を発生する。或いは、上記の周波数変調により、ひずみ発振子の共鳴周波数の信号を、該周波数よりも低い低周波信号によって変調した信号を発生する。   By the amplitude modulation described above, a signal in which the voltage value of the resonant frequency of the strain oscillator is changed is generated. Alternatively, a signal obtained by modulating the signal of the resonant frequency of the distorted oscillator with a low frequency signal lower than the frequency is generated by the above frequency modulation.

機能性材料は磁性体であり、この磁性体に力学的弾性ひずみを与えることで弾性特性に影響を与え、スピンの磁気配向度合を操作することにより、磁気秩序状態を制御する。平板状のひずみ素子の上には、平板状磁性体を配置し、平板状磁性体の上方には、間隔を開けて永久磁石を配置し、かつ、この永久磁石は、ダンパーを介して振動板に結合して、前記平板状磁性体の磁化を操作することにより音声を発生させる警告用ホーン或いはブザーとして構成することができる。   The functional material is a magnetic material, and the elastic properties are affected by applying mechanical elastic strain to the magnetic material, and the magnetic order state is controlled by manipulating the degree of spin magnetic orientation. A flat magnetic body is disposed on the flat strain element, and a permanent magnet is disposed above the flat magnetic body with a gap therebetween, and the permanent magnet is provided with a diaphragm via a damper. And a warning horn or buzzer that generates sound by manipulating the magnetization of the plate-like magnetic body.

また、平板状のひずみ発振子の上には、平板状強磁性体を配置し、かつ該平板状強磁性体の上方には、間隔を開けて平板状超伝導体を配置して、超伝導体の磁気浮上現象を利用した平面スピーカーを構成することができる。   In addition, a flat ferromagnet is arranged on the flat strain oscillator, and a flat superconductor is arranged above the flat ferromagnet with a space therebetween, thereby superconducting. A flat speaker utilizing the magnetic levitation phenomenon of the body can be constructed.

機能性材料は金属線材であり、該金属線材に力学的弾性ひずみを与えることでその電気伝導状態を制御する。また、機能性材料は超伝導体であり、該超伝導体に力学的弾性ひずみを与えることで超伝導状態を制御する。   The functional material is a metal wire, and its electric conduction state is controlled by applying mechanical elastic strain to the metal wire. The functional material is a superconductor, and the superconducting state is controlled by applying mechanical elastic strain to the superconductor.

機能性材料は、双安定性を有し、かつ構造変化によって結晶が変色する物質であり、該物質に力学的弾性ひずみを与えることで結晶の変色を操作する二次元平面状ディスプレイとして構成することができる。また、構造変化によって結晶が変色する物質に力学的弾性ひずみを与えることで透明と半透明を切り替えるブラインドとして構成することができる。   The functional material is a substance that has bistability and whose crystal changes color due to structural change, and is configured as a two-dimensional planar display that manipulates the color change of the crystal by applying mechanical elastic strain to the substance. Can do. Further, it can be configured as a blind that switches between transparent and translucent by applying mechanical elastic strain to a substance whose crystal changes color due to structural change.

本発明によれば、コイルによって発生する交流磁場を使用せず（磁気的にクリーンな状況下で）、金属とか半導体に限らず、絶縁体さらに磁性体又は非磁性体といったあらゆる機能性材料による磁気秩序状態（磁気モーメント或いは磁束密度）或いは電気伝導状態（電気抵抗）を連続的に制御することができ、連続調整機能を有するスイッチング、つまりバルブ機能、もしくはフィルター機能を保持するクリーン・省エネデバイスを提供することができる。   According to the present invention, an AC magnetic field generated by a coil is not used (under magnetically clean conditions), and is not limited to metals or semiconductors, but is made of magnetism of any functional material such as an insulator, a magnetic material, or a nonmagnetic material. Provides a clean and energy-saving device that can continuously control the ordered state (magnetic moment or magnetic flux density) or the electrical conduction state (electrical resistance) and has a continuous adjustment function, that is, a valve function or a filter function. can do.

本発明によれば、高速応答・リアルタイム制御可能のスピンデバイスを提供することができ、印加電圧の大きさとその周波数を変化させることで磁化・電気抵抗の大きさを調整できる。   According to the present invention, a spin device capable of high-speed response and real-time control can be provided, and the magnitude of magnetization and electrical resistance can be adjusted by changing the magnitude of applied voltage and its frequency.

機能性材料の物性状態をリアルタイムに制御する本発明のスピンデバイスを例示する図である。It is a figure which illustrates the spin device of this invention which controls the physical property state of a functional material in real time. 機能性材料として用いた強磁性体に力学的弾性ひずみを与えることで磁気秩序状態を制御するスピンデバイスの動作を説明する図であり、（Ａ）は歪みオフ状態を示し、（Ｂ）は歪みオン状態を示している。It is a figure explaining operation | movement of the spin device which controls a magnetic order state by giving a mechanical elastic strain to the ferromagnetic material used as a functional material, (A) shows a strain-off state, (B) is a strain. Indicates the on state. 磁性材料として、Ｍｎ-Ｃｒ錯体化合物を用いて、絶対温度に対して交流磁化率の交流磁場に追随する成分m’（複素フーリエ変換の実数成分）を測定したグラフである。It is the graph which measured the component m '(real number component of complex Fourier transform) which follows the alternating current magnetic field of alternating current magnetic susceptibility with respect to absolute temperature using the Mn-Cr complex compound as a magnetic material. 磁性材料として、Ｍｎ-Ｃｒ錯体化合物を用いて、圧電セラミック発振子に印加された電圧の振幅に対して、磁気転移温度のシフト量を測定したグラフである。It is the graph which measured the shift amount of the magnetic transition temperature with respect to the amplitude of the voltage applied to the piezoelectric ceramic oscillator using the Mn-Cr complex compound as a magnetic material. Ｍｎ-Ｃｒ錯体化合物を用いて、圧電セラミック発振子に加える電圧の周波数に対して、共鳴周波数を中心にスキャンしたときの交流磁化率m’の変化を測定したグラフである。It is the graph which measured the change of alternating current magnetic susceptibility m 'when scanning centering around a resonance frequency with respect to the frequency of the voltage applied to a piezoelectric ceramic oscillator using a Mn-Cr complex compound. 印加電圧の大きさを変化させたときの、磁気転移温度の印加電圧依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the applied voltage dependence of a magnetic transition temperature when the magnitude | size of an applied voltage is changed. 評価装置の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of an evaluation apparatus. 測定結果としてのオシロスコープ画面を示す図である。It is a figure which shows the oscilloscope screen as a measurement result. 機能性材料として用いた金属線材或いは絶縁体転移をする線材に力学的弾性ひずみを与えることで電気伝導状態を制御するスピンデバイスの動作を説明する図であり、（Ａ）は歪みオフ状態を示し、（Ｂ）は歪みオン状態を示している。It is a figure explaining operation | movement of the spin device which controls an electrical conduction state by giving a mechanical elastic strain to the metal wire used as a functional material, or the wire which makes an insulator transition, (A) shows a strain-off state , (B) show the strain-on state. 共鳴周波数が1ＭＨｚの圧電セラミックス発振子を用いたときのビスマス系銅酸化物高温超伝導体における弾性ひずみ効果を示すグラフである。It is a graph which shows the elastic-strain effect in a bismuth-type copper oxide high temperature superconductor when a piezoelectric ceramic oscillator with a resonant frequency of 1 MHz is used. 共鳴周波数が70ＭＨｚの圧電セラミックス発振子を用いたときのビスマス系銅酸化物高温超伝導体における弾性ひずみ効果を示すグラフである。It is a graph which shows the elastic-strain effect in a bismuth-type copper oxide high temperature superconductor when a piezoelectric ceramic oscillator with a resonance frequency of 70 MHz is used. 超伝導体を利用したスイッチングデバイスの動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the switching device using a superconductor. 二次元平面状の大型のスピンディスプレイとして構成した例を示す図である。It is a figure which shows the example comprised as a two-dimensional planar large spin display. 図１３に示すスピンディスプレイの配線図である。FIG. 14 is a wiring diagram of the spin display shown in FIG. 13. 警告用ホーン或いはブザーとして構成した例を示す図であり、（Ａ）はひずみ発振子の歪み有りの場合を、（Ｂ）はひずみ発振子の歪み無しの場合をそれぞれ示している。It is a figure which shows the example comprised as a warning horn or a buzzer, (A) has shown the case with distortion of a distortion oscillator, (B) has shown the case without distortion of a distortion oscillator, respectively. 平板状超伝導体の振動による平面スピーカーを構成した例を示す図である。It is a figure which shows the example which comprised the planar speaker by the vibration of a flat superconductor.

以下、例示に基づき、本発明を説明する。本発明のスピンデバイスは、金属とか半導体に限らず、絶縁体さらに磁性体又は非磁性体といったあらゆる機能性材料の物性状態をリアルタイムに制御する。例えば、磁性体に力学的弾性ひずみを与えることで弾性特性に影響を与え、スピンの秩序化を操作することにより、磁気秩序状態（例えば、磁気モーメント）を制御する。スピンは、「大きさ」と「向き」の両方を有するベクトルである。ここでいう“磁気秩序状態”は、系全体のスピンの総和、即ち、合成スピンの磁気秩序の程度を表している。スピンが無秩序の常磁性状態では、ΣSi=0（各スピンをSiで表す。スピンがn個あるとして、i=1,2,・・・n）なので、大きさも向きも総和がゼロになる。一方、強磁性状態では、ΣSi= nSであり、各スピンの矢印は一つのスピンの方向をそのままにして、その大きさをn倍すれば、合成スピンが得られる。本発明は、磁性体の場合、高速のひずみを与えて、秩序状態（ΣSi≠0）を無秩序状態（ΣSi=0）にすることを対象にしている。この磁気秩序状態の制御は、“磁性体の合成スピンの大きさ”、即ち、スピンの磁気配向状態（配向の程度）を制御することにより行う。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. The spin device of the present invention controls the physical properties of all functional materials such as insulators, magnetic bodies, and nonmagnetic bodies in real time, not limited to metals and semiconductors. For example, by applying mechanical elastic strain to the magnetic material, the elastic characteristics are affected, and the spin ordering is manipulated to control the magnetic order state (for example, magnetic moment). A spin is a vector having both “magnitude” and “orientation”. The “magnetic order state” here represents the total spin of the entire system, that is, the degree of magnetic order of the synthesized spin. In the paramagnetic state where the spins are disordered, ΣSi = 0 (each spin is represented by Si. If there are n spins, i = 1, 2,... N), the sum is zero in both magnitude and direction. On the other hand, in the ferromagnetic state, ΣSi = nS, and the arrow of each spin will leave the direction of one spin as it is, and if the magnitude is multiplied by n, a synthetic spin can be obtained. The present invention is directed to applying a high-speed strain to a disordered state (ΣSi = 0) by applying high-speed strain in the case of a magnetic material. This magnetic ordered state is controlled by controlling “the magnitude of the synthesized spin of the magnetic material”, that is, the magnetic orientation state (degree of orientation) of the spin.

また、例えば金属線材に力学的弾性ひずみを与えることでその電気伝導状態（例えば、電気抵抗）を制御することができ、或いは超伝導体に力学的弾性ひずみを与えることで超伝導状態を制御することができる。機能性材料の物質中に存在するアボガドロ数レベルのスピンがマクロスケールレベルで構築する磁気秩序状態或いは電気伝導状態を、磁場（コイルに電流を流し、磁場を発生させる：アンペールの法則）や電場（電流）によって操作するのではなく、力学的な弾性ひずみでリアルタイムに操作する。   In addition, for example, it is possible to control the electrical conduction state (for example, electrical resistance) by applying mechanical elastic strain to the metal wire, or to control the superconducting state by applying mechanical elastic strain to the superconductor. be able to. The magnetic ordered state or electrical conduction state, which is constructed at the macroscale level by the Avogadro number level spin present in the material of the functional material, is applied to the magnetic field (current is passed through the coil to generate the magnetic field: Ampere's law) and electric field ( It is not operated by electric current), but is operated in real time by mechanical elastic strain.

図１は、機能性材料の物性状態をリアルタイムに制御する本発明のスピンデバイスを例示する図である。例示のスピンデバイスは、物性状態が制御される機能性材料と、該機能性材料に接触あるいは結合して力学的な弾性ひずみを与えるひずみ発振子（ひずみ素子）と、該ひずみ発振子に接続してその発振ひずみを制御する信号発信機とから構成される。   FIG. 1 is a diagram illustrating a spin device of the present invention that controls the physical state of a functional material in real time. An exemplary spin device includes a functional material whose physical property state is controlled, a strain oscillator (strain element) that contacts or couples with the functional material to give a mechanical elastic strain, and is connected to the strain oscillator. And a signal transmitter for controlling the oscillation distortion.

図示のようにひずみ発振子の上に磁性体（例えば、平板状）、線材、或いは超伝導体（発光性を有する結晶でも良い）などの機能性材料を配置して接触或いは結合する。機能性材料とひずみ発振子との接触或いは結合は、ひずみ発振子の機械振動を伝達できるように、例えばグリース、接着剤等を用いて接触或いは固着する。磁場は基本的に不要であり、対象物質に制限はなく、磁性体については金属だけでなく、絶縁体も対象範囲となる。ひずみ発振子は、電気エネルギーを機械振動に変換する素子（振動子）である。このひずみ発振子として、例えば、周知の水晶振動子や圧電セラミックス（通常、チタン酸ジルコニア（通称ＰＺＴ））発振子を用いることができる。水晶振動子は、水晶片に金や銀などの金属膜を蒸着して貼り付けたものであり、この金属膜に電流を流すと、水晶片が、例えば超音波領域の所定周波数（共鳴周波数）で振動する。共鳴周波数は、小型の圧電セラミック発振子を用いれば、例えば数百kHzから1GHzである。また、水晶振動子は通常1MHz〜数十MHzをカバーする。印加電圧は、例えば、20MHz以下であれば、20Vpp, 20MHz以上では8Vpp程度である。   As shown in the figure, a functional material such as a magnetic material (for example, a flat plate), a wire, or a superconductor (which may be a crystal having a light emitting property) is disposed on the strain oscillator and contacted or coupled. The contact or bonding between the functional material and the strain oscillator is contacted or fixed using, for example, grease or an adhesive so that mechanical vibrations of the strain oscillator can be transmitted. A magnetic field is basically unnecessary, and there is no restriction on the target substance. For magnetic materials, not only metals but also insulators are targeted. A strain oscillator is an element (vibrator) that converts electrical energy into mechanical vibration. As this strain oscillator, for example, a known crystal oscillator or piezoelectric ceramic (usually zirconia titanate (commonly known as PZT)) oscillator can be used. A crystal resonator is a crystal piece that is affixed to a quartz piece by depositing a metal film such as gold or silver. Vibrate. The resonance frequency is, for example, several hundred kHz to 1 GHz when a small piezoelectric ceramic oscillator is used. In addition, the crystal resonator usually covers 1 MHz to several tens of MHz. The applied voltage is, for example, 20 Vpp if it is 20 MHz or less, and about 8 Vpp if it is 20 MHz or more.

機能性材料として磁性体を用いた場合、ひずみ駆動による磁場制御機構として利用できる。磁性体に端子を付けなくて良いことから絶縁体材料にも有効である。また、ひずみ効果を発光性やサーモクロミズム（温度をパラメータとする変色性）と結び付けることで、ブラインド、ディスプレイとしての用途が拓ける。また、ひずみを与える物質が磁性体の場合、ひずみを変調させることで、磁性体の磁気モーメントが変調する。これは、交流磁場を印加したことと同じ効果を与えることになり、音響領域で磁性体とか超伝導体を任意に振動させることが可能となり、平行板スピーカーの発振装置として利用できる。さらに、超伝導ケーブルによる電力輸送システムにおける送電量制御機構に活用できる。   When a magnetic material is used as the functional material, it can be used as a magnetic field control mechanism by strain driving. Since it is not necessary to attach a terminal to the magnetic body, it is also effective for an insulator material. In addition, by combining the strain effect with luminous properties and thermochromism (discoloration with temperature as a parameter), applications for blinds and displays can be developed. Further, when the strain-imparting substance is a magnetic material, the magnetic moment of the magnetic material is modulated by modulating the strain. This gives the same effect as the application of an alternating magnetic field, and it is possible to arbitrarily vibrate a magnetic material or a superconductor in the acoustic region, which can be used as an oscillation device for a parallel plate speaker. Furthermore, it can be used for a transmission amount control mechanism in a power transport system using a superconducting cable.

図２は、機能性材料として用いた強磁性体に力学的弾性ひずみを与えることで磁気秩序状態を制御するスピンデバイスの動作を説明する図であり、（Ａ）は歪みオフ状態を示し、（Ｂ）は歪みオン状態を示している。例示のスピンデバイスは、磁気秩序状態が制御される強磁性体と、該強磁性体に結合して力学的な弾性ひずみを与えるひずみ発振子と、該ひずみ発振子に接続してその発振ひずみを制御する信号発信機とから構成される。ここで、強磁性体とは、ある臨界温度以下で磁気モーメントがある一方向に整列する磁石のことで、地球磁場下でも大きな磁気モーメントを発現する、つまりひずみ効果が顕著な強磁性体全般を対象にしている。図示の構成を、室温での振動発生源として使用する場合、強磁性体は永久磁石であり、また、超伝導平行板スピーカーの場合（後述する図１６参照）、原理的には窒素温度で強磁性体になっていれば良い。   FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of a spin device that controls a magnetic ordered state by applying mechanical elastic strain to a ferromagnetic material used as a functional material, and (A) shows a strain-off state. B) shows a strain-on state. An exemplary spin device includes a ferromagnet whose magnetic order state is controlled, a strain oscillator that is coupled to the ferromagnet and applies a mechanical elastic strain, and is connected to the strain oscillator to reduce its oscillation strain. And a signal transmitter to be controlled. Here, a ferromagnet is a magnet that is aligned in one direction with a magnetic moment below a certain critical temperature. It is targeted. When the configuration shown is used as a vibration source at room temperature, the ferromagnetic material is a permanent magnet, and in the case of a superconducting parallel plate speaker (see FIG. 16 described later), in principle, it is strong at nitrogen temperature. It only has to be a magnetic material.

例示の信号発信機は、ひずみ素子（ひずみ発振子）の共鳴周波数の信号を、該周波数よりも低い低周波信号によって周波数変調した信号を発生する。或いは、ひずみ発振子に固有な共鳴周波数に対して振幅変調した信号を発生することも可能である。例えば、共鳴周波数よりも低周波数の信号として正弦波、矩形波などの信号を用いて振幅変調できるが、図示の例は、オンオフ信号で振幅変調した場合を示している。ＯＮとＯＦＦの時の磁束状態間をその変調の周期でもって周期的に変化させることができる（図１５に示すようにスピーカー制御器として利用可能）。クリーンな（磁場、電場のない）環境を必要とする場合における、超音波ひずみを用いた磁性体の磁気特性制御用のバルブ機能つきスイッチとして利用できる。また、図示の例のような信号は相転移温度(磁気転移もしくは超伝導転移など)近傍で観測される現象であることから、クリーンな（磁場、電場のない）環境での相転移温度の測定方法としても利用できる。   An example signal transmitter generates a signal obtained by frequency-modulating a signal having a resonance frequency of a strain element (a strain oscillator) with a low-frequency signal lower than the frequency. Alternatively, it is also possible to generate a signal that is amplitude-modulated with respect to the resonance frequency unique to the strain oscillator. For example, although amplitude modulation can be performed using a signal such as a sine wave or a rectangular wave as a signal having a frequency lower than the resonance frequency, the illustrated example shows a case where amplitude modulation is performed using an on / off signal. The magnetic flux state between ON and OFF can be periodically changed by the modulation period (can be used as a speaker controller as shown in FIG. 15). When a clean environment (no magnetic field or electric field) is required, it can be used as a switch with a valve function for controlling magnetic properties of a magnetic material using ultrasonic distortion. In addition, since the signal as shown in the example is a phenomenon observed near the phase transition temperature (magnetic transition or superconducting transition, etc.), measurement of the phase transition temperature in a clean (no magnetic or electric field) environment It can also be used as a method.

図３、図４は、磁性材料として、Ｍｎ原子とＣｒ原子を含む錯体化合物, Cr(CN)6][Mn(R)-pnH(H2O)](H2O)を用いて、測定したグラフである。6mm×5mm×2mm（厚さ）のサイズの1MHz用圧電セラミック発振子（試料に面する表面積6mm×5mm）の上に真空グルースをうっすら塗り、2mm×1mm×0.2mm（厚さ）の測定試料を固定したときの超音波ひずみ効果を示すものである。そのときの磁気モーメントの大きさを交流磁場（振幅4 Oe, 周波数10 Hz）に対する応答（交流磁化率）を検出することで評価した。dBm(=10log10W)は圧電セラミック発振子に印加される電圧を電力で評価したものである。図４の横軸は、電圧発信機の出力インピーダンス50オームを負荷とする回路での電圧と評価されたものである。図３において、グラフ横軸は絶対温度を示し、縦軸は交流磁化率の交流磁場に追随する成分m’（複素フーリエ変換の実数成分）を示している。交流磁化率の大きさは低磁場域での磁気モーメントの大きさに比例し、その温度変化より磁気転移温度を高精度に見積もることが出来る。無ひずみ状態での磁気転移温度は37K付近であるが、ひずみが印加されることによって、その磁気転移が低温にシフトする。 3 and 4 show the measurement using a complex compound containing Mn atom and Cr atom, Cr (CN) 6 ] [Mn (R) -pnH (H 2 O)] (H 2 O) as a magnetic material. It is a graph. A sample of 2mm x 1mm x 0.2mm (thickness) is measured by slightly applying vacuum glue on a 1MHz piezoelectric ceramic oscillator (surface area 6mm x 5mm facing the sample) of 6mm x 5mm x 2mm (thickness). It shows the ultrasonic distortion effect when is fixed. The magnitude of the magnetic moment at that time was evaluated by detecting the response (AC susceptibility) to an AC magnetic field (amplitude 4 Oe, frequency 10 Hz). dBm (= 10 log 10 W) is an evaluation of power applied to the voltage applied to the piezoelectric ceramic oscillator. The horizontal axis of FIG. 4 is evaluated as a voltage in a circuit having a load of 50 ohm output impedance of the voltage transmitter. In FIG. 3, the horizontal axis of the graph indicates the absolute temperature, and the vertical axis indicates the component m ′ (the real component of the complex Fourier transform) that follows the alternating magnetic field of the alternating magnetic susceptibility. The magnitude of the AC magnetic susceptibility is proportional to the magnitude of the magnetic moment in the low magnetic field region, and the magnetic transition temperature can be estimated with high accuracy from the temperature change. The magnetic transition temperature in the unstrained state is around 37K, but when the strain is applied, the magnetic transition is shifted to a low temperature.

図４において、グラフ横軸は圧電セラミック発振子に印加された電圧の振幅を示し、縦軸は磁気転移温度のシフト量を示している。図示のように、印加電圧の振幅のほぼ３乗に従う磁気秩序転移温度の超音波弾性ひずみ効果が発見された。金属、絶縁体を問わない磁性材料で、転移温度の温度域に限定されない。   In FIG. 4, the horizontal axis of the graph represents the amplitude of the voltage applied to the piezoelectric ceramic oscillator, and the vertical axis represents the shift amount of the magnetic transition temperature. As shown in the figure, an ultrasonic elastic strain effect of the magnetic order transition temperature according to approximately the third power of the amplitude of the applied voltage was found. The magnetic material is not limited to a metal or an insulator, and is not limited to the temperature range of the transition temperature.

図５は、上記のＭｎ-Ｃｒ錯体化合物を３６Ｋの条件下に維持し、15dBm(振幅1.3V)のパワーの環境下で1MHzの圧電セラミック発振子に加える電圧の周波数を、共鳴周波数を中心にスキャンしたときの交流磁化率m’の変化を示す。図５に示すように、ひずみの周波数のチューニングによって効果的な磁気秩序転移温度の操作が実現される。   FIG. 5 shows the frequency of the voltage applied to the 1 MHz piezoelectric ceramic oscillator in the environment of 15 dBm (amplitude 1.3 V) with the above Mn—Cr complex compound maintained at 36 K, centering on the resonance frequency. The change of AC magnetic susceptibility m 'when scanned is shown. As shown in FIG. 5, effective manipulation of the magnetic order transition temperature is realized by tuning the strain frequency.

また、図６はひずみ周波数を圧電セラミック発振子の共鳴周波数に定め、印加電圧の大きさを変化させたときの結果であり、磁気転移温度の印加電圧依存性を示す。図６に示すように、同様の効果は印加電圧の電圧を変化させることでも実現できる。つまり、２つの変数のどちらでも上記操作の微調整が可能である。   FIG. 6 shows the results obtained when the strain frequency is set to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic oscillator and the magnitude of the applied voltage is changed, and shows the dependence of the magnetic transition temperature on the applied voltage. As shown in FIG. 6, the same effect can be realized by changing the voltage of the applied voltage. That is, the above operation can be finely adjusted with either of the two variables.

次に、（ひずみ効果が顕著な）温度一定条件で、超音波ひずみ印加をある期間連続的に継続し、その後無印加の状態を同時間継続する、という操作を繰り返し行い、その際の磁気モーメントの温度変化を追跡測定した。図７は、評価装置の概略を示す図であり、図８は、測定結果としてのオシロスコープ画面を示す図である。図７に示す評価装置は、図１に示す構成における機能性材料として磁性体であるＭｎ-Ｃｒ錯体化合物Cr(CN)6][Mn(R)-pnH(H2O)](H2O)を用い、かつ、ひずみ発振子に流れる電流波形と、磁性体上面に配置した磁気検出コイルからの出力電圧（磁気モーメントに比例）をオシロスコープによって観測する。図８に示すように、磁気モーメントはひずみ印加直後に変化を開始し、１秒以内に定常状態に落ち着く。このような変化を、ヒーター等を用いた通常の温度変化で実現しようとすると、その変化には必ず有限の温度緩和が付随し、短時間応答は到底実現できるものではない。これに対して、例示の構成は、高速応答・リアルタイム制御を実現可能であることが分かる。また、ひずみの印加時間（パルス幅）によって、ひずみをOFFにした状態からの復元に要する時間が変化するが、そのハルス幅依存性に、別の情報を織り込むことも可能である。 Next, repeat the operation of continuously applying ultrasonic strain for a certain period of time under constant temperature conditions (where the strain effect is remarkable), and then continuing the non-applied state for the same period of time. The temperature change was followed up. FIG. 7 is a diagram showing an outline of the evaluation apparatus, and FIG. 8 is a diagram showing an oscilloscope screen as a measurement result. The evaluation apparatus shown in FIG. 7 is an Mn—Cr complex compound Cr (CN) 6 ] [Mn (R) —pnH (H 2 O)] (H 2 O) which is a magnetic material as a functional material in the configuration shown in FIG. ), And the current waveform flowing through the strain oscillator and the output voltage (proportional to the magnetic moment) from the magnetic detection coil placed on the top surface of the magnetic material are observed with an oscilloscope. As shown in FIG. 8, the magnetic moment starts changing immediately after the strain is applied, and settles to a steady state within 1 second. If such a change is to be realized by a normal temperature change using a heater or the like, the change is always accompanied by a finite temperature relaxation, and a short-time response cannot be realized at all. On the other hand, it can be seen that the example configuration can realize high-speed response and real-time control. The time required for restoration from the strain-off state varies depending on the strain application time (pulse width), but it is possible to incorporate other information into the dependence on the Halth width.

図９は、機能性材料として用いた金属線材或いは絶縁体転移をする線材（超伝導線材を含む）に力学的弾性ひずみを与えることで電気伝導状態を制御するスピンデバイスの動作を説明する図であり、（Ａ）は歪みオフ状態を示し、（Ｂ）は歪みオン状態を示している。例示のスピンデバイスは、電気伝導状態が制御される線材と、該線材に結合して力学的な弾性ひずみを与えるひずみ発振子と、該ひずみ発振子に接続してその発振ひずみを制御する信号発信機とから構成される。このような構成によって、線材の電気伝導性を制御（電気抵抗制御）することができる。   FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of a spin device that controls the electrical conduction state by applying mechanical elastic strain to a metal wire used as a functional material or a wire (including a superconducting wire) that undergoes an insulator transition. Yes, (A) shows the strain-off state, and (B) shows the strain-on state. An exemplary spin device includes a wire whose electrical conduction state is controlled, a strain oscillator that is coupled to the wire and applies mechanical elastic strain, and a signal transmission that controls the oscillation strain by being connected to the strain oscillator. It consists of a machine. With such a configuration, the electrical conductivity of the wire can be controlled (electric resistance control).

図１０、図１１は、図９における線材として超伝導体（対象物質はビスマス系銅酸化物高温超伝導体）線材を用いて測定したひずみ効果を示す図である。図１０と図１１におけるグラフ横軸は絶対温度を示し、縦軸は交流磁化率の交流磁場（振幅4Oe, 周波数10Hz）に追随する成分m’を示している。図１０ならびに図１１は、共鳴周波数が1ＭＨｚ（6mm×5mm×2mm）と70ＭＨｚ（2.5mm×2mm×1mm）の圧電セラミックス発振子を用いたときの弾性ひずみ効果を示したものであり、ひずみ印加によって超伝導転移温度が低下していることを示している。1ＭＨｚの際の試料のサイズは2.0mm×1.0mm×0.2mm（厚さ）であり、70ＭＨｚの際の試料のサイズは1.5mm×1.5mm×0.2mm（厚さ）である。たとえば、１０２Ｋに温度固定にし、歪みＯＦＦの状態（超伝導状態）に70MHz、24dBmの歪みを与えると、超伝導状態を常伝導状態に切り替えることができる。この操作に信頼性を付与するには、弾性ひずみ効果の大きな物質を制御対処物質に使用する必要がある。   10 and 11 are diagrams showing strain effects measured using a superconductor (target material is a bismuth-based copper oxide high-temperature superconductor) wire as the wire in FIG. 9. 10 and 11, the horizontal axis represents the absolute temperature, and the vertical axis represents the component m 'that follows the alternating magnetic field (amplitude 4 Oe, frequency 10 Hz) of the alternating magnetic susceptibility. 10 and 11 show the elastic strain effect when using piezoelectric ceramic resonators with resonance frequencies of 1 MHz (6 mm × 5 mm × 2 mm) and 70 MHz (2.5 mm × 2 mm × 1 mm). This shows that the superconducting transition temperature is lowered. The sample size at 1 MHz is 2.0 mm × 1.0 mm × 0.2 mm (thickness), and the sample size at 70 MHz is 1.5 mm × 1.5 mm × 0.2 mm (thickness). For example, when the temperature is fixed at 102 K and a strain of 70 MHz and 24 dBm is applied to the strain-off state (superconducting state), the superconducting state can be switched to the normal conducting state. In order to give reliability to this operation, it is necessary to use a substance having a large elastic strain effect as a control countermeasure substance.

図１２は、超伝導体を利用したスイッチングデバイスの動作を説明する図である。図９における線材として超伝導体を用いて、弾性ひずみを与えることにより、線材の超伝導状態と常伝導状態にオンオフ制御するスイッチングデバイスを構成することができる。これによって、超電導送電ネットワークにおけるバルブ機能付スイッチとして利用可能である。超伝導線材の超伝導状態を操作することで、送電量のコントロールが可能である。この仕組みは、超伝導磁石の永久電流モード切り替えスイッチとして使われているヒートスイッチ部分にも利用することができ、短時間でのモード切り替えが可能となる。また、金属絶縁体転移を伴う材料についても同様の送電量コントロールが実現可能である。   FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of a switching device using a superconductor. By using a superconductor as the wire in FIG. 9 and applying elastic strain, a switching device that controls on / off between the superconducting state and the normal state of the wire can be configured. Thus, it can be used as a switch with a valve function in a superconducting power transmission network. The amount of power transmission can be controlled by manipulating the superconducting state of the superconducting wire. This mechanism can also be used for a heat switch part used as a permanent current mode switching switch of a superconducting magnet, and mode switching can be performed in a short time. In addition, the same power transmission amount control can be realized for materials accompanied by metal-insulator transition.

図１３は、本発明のスピンデバイスを用いて、磁化と結晶色及び発光特性を結びつけた二次元平面状の、例えば広告用に用いる大型のスピンディスプレイとして構成した例を示す図であり、また、図１４は、その配線図である。スピンデバイス機能性物質として、双安定性（ふたつの状態が同様のエネルギー的安定度を有し、過去の履歴によってどちらの状態を実現するかが変わる）を有し、構造変化によって結晶が変色する物質を用いる。温度変化による相転移に起因する変色はサーモクロミズムと称せられている。本発明のスピンデバイスを利用して、双安定性を有する温度域でふたつの状態のエネルギーバランスを自在に操作することで、大型ディスプレイにおける色の連続的操作に利用できる。また、透明と半透明を切り替えることにより、ブラインドとして利用可能である。   FIG. 13 is a diagram showing an example in which the spin device of the present invention is used to form a large-sized spin display that is used for advertising, for example, in a two-dimensional plane that combines magnetization, crystal color, and light emission characteristics. FIG. 14 is a wiring diagram thereof. As a spin device functional material, it has bistability (the two states have the same energy stability, and which state is realized depending on the past history), and the crystal changes color due to structural change Use substances. Discoloration resulting from a phase transition due to temperature change is called thermochromism. By utilizing the spin device of the present invention and freely operating the energy balance of the two states in a temperature range having bistability, the spin device can be used for continuous color operation in a large display. Moreover, it can be used as a blind by switching between transparent and translucent.

図１５は、本発明のスピンデバイスを用いて、車の警告用ホーン或いはブザーとして構成した例を示す図であり、（Ａ）はひずみ発振子の歪み有りの場合を、（Ｂ）はひずみ発振子の歪み無しの場合をそれぞれ示している。平板状のひずみ素子の上には、平板状強磁性体を配置する。さらに、平板状強磁性体の上方には、間隔を開けて永久磁石を配置する。この永久磁石は、ダンパーを介して振動板に結合されている。このように、平板状のひずみ素子の幾何学性を利用して、素子上に置かれた平板状強磁性体の磁化（磁気秩序）を操作することにより電気駆動による音声発生へ利用できる。   FIGS. 15A and 15B are diagrams showing an example in which the spin device of the present invention is used as a vehicle warning horn or buzzer. FIG. 15A shows a case where the strain oscillator is distorted, and FIG. Each of the cases without child distortion is shown. A flat ferromagnetic material is disposed on the flat strain element. Further, a permanent magnet is disposed above the flat ferromagnetic material with a gap therebetween. The permanent magnet is coupled to the diaphragm via a damper. Thus, by utilizing the geometric property of the flat strain element, the magnetization (magnetic order) of the flat ferromagnetic material placed on the element can be manipulated to generate sound by electric drive.

図１６は、本発明のスピンデバイスを用いて、平板状超伝導体の振動による平面スピーカー（平行板スピーカー）を構成した例を示している。平板状のひずみ発振子の上には、平板状強磁性体を配置する。さらに、平板状強磁性体の上方には、間隔を開けて平板状超伝導体を配置する。ここで、平板状強磁性体は、液体窒素温度で強磁性体になっていれば良いが、室温で稼働させる場合には、永久磁石である。   FIG. 16 shows an example in which a planar speaker (parallel plate speaker) is formed by vibration of a flat superconductor using the spin device of the present invention. A flat ferromagnetic material is disposed on the flat strain oscillator. Further, a flat superconductor is disposed above the flat ferromagnetic material with a gap therebetween. Here, the flat ferromagnetic material only needs to be a ferromagnetic material at a liquid nitrogen temperature, but is a permanent magnet when operated at room temperature.

従来のコーン型スピーカーは、観測位置によって音圧が異なるのに対して、平行板スピーカーではどこでも同じ音圧が実現できる。平行板スピーカーの駆動系に本発明を適用すれば、超伝導体の磁気浮上現象を利用した超伝導スピーカーとなる。駆動系磁場を使用しないため、平行板スピーカーの運動性能を高めることができる。可聴域帯での振動は、可聴域の周波数の信号によって素子駆動用超音波信号を変調させることで実現する。
Conventional cone type speakers have different sound pressures depending on the observation position, while parallel plate speakers can achieve the same sound pressure anywhere. If the present invention is applied to the drive system of a parallel plate speaker, a superconducting speaker utilizing the magnetic levitation phenomenon of a superconductor is obtained. Since the drive system magnetic field is not used, the motion performance of the parallel plate speaker can be enhanced. The vibration in the audible range is realized by modulating the element driving ultrasonic signal with a signal of the frequency in the audible range.

Claims (10)

物性状態が制御される機能性材料と、
該機能性材料に接触或いは結合して力学的な弾性ひずみを与えるひずみ発振子と、
該ひずみ発振子に接続して、該ひずみ発振子に固有な共鳴周波数に対して周波数変調或いは振幅変調した信号を印加して前記発振ひずみを制御する信号発信機を備え、
前記機能性材料のスピンの磁気配向状態或いは電気伝導状態を、それに与える力学的な弾性ひずみで操作することから成る弾性操作で駆動するスピンデバイス。 Functional materials whose physical properties are controlled;
A strain oscillator that gives mechanical elastic strain by contacting or bonding to the functional material;
A signal transmitter for controlling the oscillation distortion by applying a signal that is frequency-modulated or amplitude-modulated with respect to a resonance frequency unique to the distortion oscillator, connected to the distortion oscillator;
A spin device driven by an elastic operation comprising operating a magnetic orientation state or an electric conduction state of a spin of the functional material by a mechanical elastic strain applied thereto. 前記振幅変調により、ひずみ発振子の共鳴周波数の電圧値を変化させた信号を発生する請求項１に記載のスピンデバイス。 The spin device according to claim 1, wherein a signal in which a voltage value of a resonance frequency of the strain oscillator is changed is generated by the amplitude modulation. 前記周波数変調により、ひずみ発振子の共鳴周波数の信号を、該周波数よりも低い低周波信号によって変調した信号を発生する請求項１に記載のスピンデバイス。 The spin device according to claim 1, wherein the frequency modulation generates a signal obtained by modulating a signal having a resonant frequency of the strain oscillator with a low-frequency signal lower than the frequency. 前記機能性材料は磁性体であり、この磁性体に力学的弾性ひずみを与えることで弾性特性に影響を与え、スピンの磁気配向度合を操作することにより、磁気秩序状態を制御する請求項１に記載のスピンデバイス。 The functional material is a magnetic material, and the magnetic properties are influenced by applying a mechanical elastic strain to the magnetic material, and the magnetic order state is controlled by manipulating the degree of spin magnetic orientation. The described spin device. 平板状の前記ひずみ発振子の上には、平板状磁性体を配置し、平板状磁性体の上方には、間隔を開けて永久磁石を配置し、かつ、この永久磁石は、ダンパーを介して振動板に結合して、前記平板状磁性体の磁化を操作することにより音声を発生させる警告用ホーン或いはブザーとして構成した請求項４に記載のスピンデバイス。 A flat plate-like magnetic body is arranged on the flat plate-like strain oscillator, and a permanent magnet is arranged above the flat plate-like magnetic body with a space therebetween, and the permanent magnet is interposed via a damper. The spin device according to claim 4, wherein the spin device is configured as a warning horn or a buzzer that is coupled to a diaphragm and generates sound by manipulating the magnetization of the plate-like magnetic body. 前記平板状のひずみ発振子の上には、平板状強磁性体を配置し、かつ該平板状磁性体の上方には、間隔を開けて平板状超伝導体を配置して、超伝導体の磁気浮上現象を利用した平面スピーカーを構成した請求項４に記載のスピンデバイス。 A flat ferromagnetic material is disposed on the flat strain oscillator, and a flat superconductor is disposed above the flat magnetic material with a gap therebetween. The spin device according to claim 4, wherein a planar speaker using a magnetic levitation phenomenon is configured. 前記機能性材料は金属線材であり、該金属線材に力学的弾性ひずみを与えることでその電気伝導状態を制御する請求項１に記載のスピンデバイス。 The spin device according to claim 1, wherein the functional material is a metal wire, and the electrical conduction state is controlled by applying mechanical elastic strain to the metal wire. 前記機能性材料は超伝導体であり、該超伝導体に力学的弾性ひずみを与えることで超伝導状態を制御する請求項１に記載のスピンデバイス。 The spin device according to claim 1, wherein the functional material is a superconductor, and a superconducting state is controlled by applying mechanical elastic strain to the superconductor. 前記機能性材料は、双安定性を有し、かつ構造変化によって結晶が変色する物質であり、該物質に力学的弾性ひずみを与えることで結晶の変色を操作する二次元平面状ディスプレイとして構成した請求項１に記載のスピンデバイス。 The functional material is a substance that has bistability and whose crystal changes color due to structural change, and is configured as a two-dimensional planar display that manipulates the color change of the crystal by applying mechanical elastic strain to the substance. The spin device according to claim 1. 前記機能性材料は、双安定性を有し、かつ構造変化によって結晶が変色する物質であり、該物質に力学的弾性ひずみを与えることで透明と半透明を切り替えるブラインドとして構成した請求項１に記載のスピンデバイス。
2. The functional material according to claim 1, wherein the functional material is a substance that has bistability and whose crystal changes color due to a structural change, and is configured as a blind that switches between transparent and translucent by applying mechanical elastic strain to the substance. The described spin device.
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