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後藤 太一(ごとう たいち)

所属 電気・電子情報工学系
兼務
職名 助教
専門分野 磁気工学 / フォトニクス / ナノテクノロジー / スピントロニクス / マグノニクス
学位 博士(工学)(豊橋技術科学大学)
所属学会 日本磁気学会,IEEE,応用物理学会,電気学会,アメリカ物理学会,MRS,MRS-S,レーザー学会
E-mail goto@ee
※アドレスの末尾に「.tut.ac.jp」を補完してください
研究室web http://www.spin.ee.tut.ac.jp/
研究者情報リンク 研究者情報

研究紹介

ナノ・マイクロシステムと,磁気,光学,高周波,電気・電子工学を融合し,新規な機能性材料,応用デバイスの開発をしています。基礎として,光タム状態,磁性フォトニック結晶,1次元・2次元マグノニック結晶,磁性酸化物の結晶成長。応用として,磁性ガーネットを使ったQスイッチレーザー,超低消費電力なスピン波集積回路,磁気光学材料を使った光集積回路,などを形成しています。

テーマ1:スピン波集積回路の開発

概要
図1 フォーク型のスピン波位相干渉演算素子。

 コンピューターの処理速度の増加やCPUの高温化を背景として,磁性体中を伝わるスピン波(磁化の歳差運動が作る波)は,電荷移動を伴わない(熱を発しない)高速な情報キャリアとして注目を集めています。スピン波は,伝搬媒体である磁性体をナノ・マイクロサイズで加工したり,表面に磁気的な周期構造を形成したりすることで制御できます。日本学術振興会 若手研究A,JSTさきがけ等の研究費により,これまでに,イットリウム鉄ガーネット(Yttrium iron garnet, YIG)と呼ばれる磁性絶縁材料をナノスケールで形成することに成功しています。このYIG中を伝わるスピン波を用いて,論理演算素子を世界にさきがけて,実証しました。図1に示したのがこのデバイスです。3つの入力端子からスピン波を入力すると、位相干渉部で重ね合わされたスピン波は、自動的に、出力端子に演算結果を出力します。スピン波配線は、磁性絶縁体でできており、金膜が各端子の端に設置され、余分なスピン波の発生を抑えています。磁場は素子全体に対して垂直に印加されています。現在,スピン波演算素子の集積化(チップ化)を進め,世界初のスピン波デバイスの実用化を目指しています。

主な業績

■N. Kanazawa, T. Goto, K. Sekiguchi, A. B. Granovsky, C. A. Ross, H. Takagi, Y. Nakamura, H. Uchida, and M. Inoue, "The role of Snell’s law for a magnonic majority gate," Sci. Rep. 7, 7898 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-08114-7
■K. Shimada, T. Goto, N. Kanazawa, H. Takagi, Y. Nakamura, H. Uchida, and M. Inoue, "Extremely flat transmission band of forward volume spin wave using gold and yttrium iron garnet," J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 275001 (2017). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa7505
■N. Kanazawa, T. Goto, K. Sekiguchi, A. B. Granovsky, C. A. Ross, H. Takagi, Y. Nakamura, and M. Inoue, "Demonstration of a robust magnonic spin wave interferometer," Sci. Rep. 6, 30268 (2016). http://dx.doi.org/10.1038/srep30268
●プレス発表「磁気の性質を使って論理演算を実現~電流を流さない新しいコンピューターが期待~」http://www.jst.go.jp/pr/announce/20170811/index.html
●プレス発表「スピン波を使った最高性能の位相干渉器を開発 ~金の膜を用いてエネルギー損失100分の1を実現~」 http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160722/index.html
●プレス発表「金できれいなスピン波伝搬~スピン波ノイズの発生メカニズムを解明し抑制方法を確立~」https://www.tut.ac.jp/docs/PR170623.pdf
◆Researchmapをご覧ください。https://researchmap.jp/taichigoto/

キーワード

マグノニックス, スピン波, 低消費電力, スピン波IC

テーマ2:磁気ドメイン駆動型の高出力薄膜Qスイッチレーザーの開発

概要
図2 開発した磁気ドメイン駆動型の高出力薄膜Qスイッチレーザーの概略図。

 磁場と光の相互作用である磁気光学効果を発現する膜を用いた,集積化可能なQスイッチレーザーの開発を世界で初めて成功しています。高出力,高繰り返し,高安定な小型レーザーは,日々の製造プロセスを,よりシンプルで,低コスト,スピーディーなものに変えうると期待されています。ドイツでは,製造現場のデジタル化(高度情報化)がもたらす製造業の変革をインダストリー4.0と名付けられ,全工程の制御自動化が一つのキーポイントとなってきており,レーザー加工はこれに大きく寄与すると考えられています。小型高出力レーザーの適用先は,これにとどまらず,自動車エンジンの点火プラグや,宇宙開発用スラスターシステムでの利用など多岐に渡ります。しかし,これまで,レーザーが出るタイミングや,繰り返し回数などが,制御可能で集積化可能な固体レーザー向けのQスイッチ素子は無く,開発が切望されていました。制御可能なQスイッチ素子は,電気光学素子や音響光学素子が広く知られていましたが,光学素子の付属が必要であったり,分厚い結晶を用いる必要があったりと,原理的にmm以下の小型化が不可能でした。更にどちらも複雑かつ大型の制御電源が必須であり,小型レーザー本体のコンセプトにそぐわないものでした。
 後藤太一助教らと,分子科学研究所,アイオワ州立大学の研究者らのグループは、迷路状の磁気ドメインをもつ厚さ190マイクロメートルの透明磁性材料を用いて,初めて,膜のQスイッチの開発に成功しました。磁気ドメインとは,磁石のN極とS極が膜の面の中に,ランダムに点在することによって生じるもので,磁気のまだら模様と言い表すことができます。実験では,高速磁気パルスを,透明磁石材料に印加し,パルス幅45ナノ秒,ピーク値約20ワットの,Qスイッチレーザーの取得に成功しました。世界で初めての,集積化可能な磁石材料を使った初めてのQスイッチレーザーの結果報告です。
 さらに磁性体の強みを活かし,小型永久磁石を,透明磁石材料の近くに設置することで,レーザーパルス発生に必要な電流を,7分の1にまで,低減できることを実験によって示し,チップに収まる程度の小型の制御回路で,同機能が実現できることも示しました。
 今後は,実際に,本素子の集積化を行うとともに,出力パワーの増大と,材料開発を基本とする磁気ドメインのダイナミック制御を行うことで,本デバイスを用いたレーザーシステムの開発に研究の場を広げる考えです。本成果は,磁気と光を融合しこれまでにない価値を見出したことから,小型高出力レーザーの発展に大きく寄与することが期待されます。

主な業績

■R. Morimoto, T. Goto, T. Taira, J. Pritchard, M. Mina, H. Takagi, Y. Nakamura, P. B. Lim, H. Uchida, and M. Inoue, "Randomly polarised beam produced by magnetooptically Q-switched laser," Sci. Rep. 7, 15398 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-15826-3
■R. Morimoto, T. Goto, J. Pritchard, H. Takagi, Y. Nakamura, P. B. Lim, H. Uchida, M. Mina, T. Taira, and M. Inoue, "Magnetic domains driving a Q-switched laser," Sci. Rep. 6, 38679 (2016). http://dx.doi.org/10.1038/srep38679
■T. Goto, R. Morimoto, J. W. Pritchard, M. Mina, H. Takagi, Y. Nakamura, P. B. Lim, T. Taira, and M. Inoue, "Magneto-optical Q-switching using magnetic garnet film with micromagnetic domains," Opt. Express 24, 17635-17643 (2016). https://doi.org/10.1364/OE.24.017635
●プレス発表「世界初!磁気を使って小型レーザーで1キロワット出力を達成 ~ランダム偏光に対する磁気を使ったQスイッチを用いて」 https://www.tut.ac.jp/docs/PR180208.pdf
●プレス発表「世界初の迷路磁区を使った磁気光学Qスイッチレーザー ~新原理に基づいた国産Qスイッチレーザーの発想から実証まで~」https://www.tut.ac.jp/docs/PR160729.pdf
◆Researchmapをご覧ください。https://researchmap.jp/taichigoto/

キーワード

磁性ガーネット,Qスイッチ,レーザー,磁気ドメイン

テーマ3:磁気的位相干渉デバイス開発にむけた新規材料開発

概要

 磁気的な位相干渉を用いて全く新しいナノ・マイクロスケールのデバイス開発を行っている。新しい原理に基づく場合が多く,この場合,世の中にまだ存在しない,あるいはあまり着目されておらず探査が十分されていない材料を利用する場合が多く,材料の性能向上が必須となります。これまで,多層膜や複合膜を含む,下記のような新規機能性材料開発を行い,一部はデバイス応用に展開しており,現在,応用先の探査を含め,デバイス試作を進めています。
・単結晶/多結晶イットリウム鉄ガーネット膜(YIG)
・単結晶/多結晶Ce置換イットリウム鉄ガーネット膜(Ce:YIG)
・多結晶Bi置換イットリウム鉄ガーネット膜(Bi:YIG)
・多結晶Bi,Dy,Al置換イットリウム鉄ガーネット膜(Bi,Dy,Al:YIG)
・Fe置換チタン酸ストロンチウム膜(Fe:SrTiO3)
・タム状態を励起する磁性フォトニック結晶(Magnetophotonic crystal exhibiting Tamm state)
・磁性マイクロキャビティ(Magnetic micro-cavity)

主な業績

■T. Yoshimoto, T. Goto, H. Takagi, Y. Nakamura, H. Uchida, C. A. Ross, and M. Inoue, "Thermally stable amorphous tantalum yttrium oxide with low IR absorption for magnetophotonic devices," Sci. Rep. 7, 13805 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-14184-4
■T. Goto, D. H. Kim, X. Sun, M. C. Onbasli, J. M. Florez, S. P. Ong, P. Vargas, K. Ackland, P. Stamenov, N. M. Aimon, M. Inoue, H. L. Tuller, G. F. Dionne, J. M. D. Coey, and C. A. Ross, "Magnetism and Faraday rotation in oxygen-deficient polycrystalline and single-crystal iron-substituted strontium titanate," Phys. Rev. Applied 7, 024006 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.024006
■T. Yoshimoto, T. Goto, R. Isogai, Y. Nakamura, H. Takagi, C. A. Ross, and M. Inoue, "Magnetophotonic crystal with cerium substituted yttrium iron garnet and enhanced Faraday rotation angle," Opt. Express 24, 8746-8753 (2016). https://doi.org/10.1364/OE.24.008746
■A. Kehlberger, K. Richter, M. C. Onbasli, G. Jakob, D. H. Kim, T. Goto, C. A. Ross, G. Götz, G. Reiss, T. Kuschel, and M. Kläui, "Enhanced magneto-optic Kerr effect and magnetic properties of CeY2Fe5O12 epitaxial thin films," Phys. Rev. Applied 4, 014008 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.4.014008
■T. Goto, Y. Eto, K. Kobayashi, Y. Haga, M. Inoue, and C. A. Ross, "Vacuum annealed cerium-substituted yttrium iron garnet films on non-garnet substrates for integrated optical circuits," J. Appl. Phys. 113, 17A939 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4800946
■T. Goto, A. V. Dorofeenko, A. M. Merzlikin, A. V. Baryshev, A. P. Vinogradov, M. Inoue, A. A. Lisyansky, and A. B. Granovsky, "Optical Tamm states in one-dimensional magnetophotonic structures," Phys. Rev. Lett. 101, 113902 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.113902
●プレス発表「850度で焼いても高透過率を示す高屈折率材料 ~磁性ガーネットとの組合せに成功し性能を10倍改善~」https://www.tut.ac.jp/docs/PR171128.pdf
●プレス発表「単結晶が高性能という常識を覆すSi 上の多結晶磁性膜を発見 ~多結晶の鉄置換チタン酸ストロンチウムが示す磁性~」 https://www.tut.ac.jp/docs/PR170322.pdf
◆Researchmapをご覧ください。https://researchmap.jp/taichigoto/

キーワード

磁性ガーネット,磁性ペロブスカイト,結晶成長,多結晶,セラミクス

担当授業科目名(科目コード)

電気・電子情報工学実験Ⅱ (B12610120)
電磁気学演習 (B12510050)

その他(受賞、学会役員等)

◆Researchmapをご覧ください。https://researchmap.jp/taichigoto/


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