物理システム工学科３年次物性工学概論第火曜１限 0023 教室第 11 回　スピンエレクトロニクスと材料 [1] 　磁性入門

大学院ナノ未来科学研究拠点量子機能工学分野佐藤勝昭

復習コーナ第 10 回で学んだこと

読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。

光ストレージには、読み出し ( 再生 ) 専用のもの、１度だけ書き込み ( 記録 ) できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。

記録には、さまざまな物理現象が使われている。

復習コーナスポットサイズ レンズの開口数

NA=nsinα d=0.6λ/NA

現行 CD-ROM: NA=0.6CD-ROM: λ=780nm→d=780nmDVD: λ=650nm→d=650nmBD: NA=0.85　　　　 λ=405nm→d=285nmHD-DVD: NA=0.6　　　　 λ=405nm→d=405nm

スポット径　 d

α

復習コーナ光記録に利用する物理現象

CD-ROM, DVD-ROM: ピット形成

CD-R, DVD-R: 有機色素の化学変化と基板の熱変形

CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR: アモルファスと結晶の相変化

MO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-Photo: 強磁性・常磁性相転移

ホログラフィックメモリ：フォトリフラクティブ効果

ホールバーニングメモリ：不均一吸収帯

復習コーナ光ディスクの特徴

リムーバブル 大容量・高密度

現行 10Gb/in2 ：ハードディスク (70Gbit/in2) に及ばない 超解像、短波長、近接場を利用して 100Gbit/in2 をめざす

ランダムアクセス 磁気テープに比し圧倒的に有利；

カセットテープ→ MD, VTR→DVD ハードディスクに比べるとシーク時間が長い

高信頼性 ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きい

復習コーナ光ディスクの面記録密度の伸び

鈴木孝雄：第 113回日本応用磁気学会研究会資料 (2000.1) p.11に加筆

ハードディスク

光ディスク

MO

復習コーナCD-ROM

ポリカーボネート基板： n=1.55 λ=780nm → 基板中の波長 λ’=503nm ピットの深さ :110nm ~ ¼ 波長 反射光の位相差 π ：打ち消し

http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html

復習コーナCD-RW

光相変化ディスク 結晶とアモルファスの

間の相変化を利用

http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html

復習コーナ光相変化記録

アモルファス / 結晶の相変化を利用 書換可能型　成膜初期状態のアモルファスを熱処理によ

り結晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点 Tm (600℃) 以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録。消去は結晶化温度 Tcr(400℃) 以下の加熱緩冷して結晶化。 High レベル： Tm 以上に加熱→急冷→アモルファス Low レベル： Tcr 以上に加熱→緩冷→結晶化DVD-RAM: GeSbTe 系DVD±RW: Ag-InSbTe 系

復習コーナ相変化と反射率

初期状態：結晶状態 記録状態：アモルファス状態R: 大

R: 小記録

消去

レーザスポット

記録マーク

復習コーナCD-R

有機色素を用いた光記録

光による熱で色素が分解

気体の圧力により加熱された基板が変形

ピットとして働く

復習コーナDVD ファミリー

  DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-RW DVD+RW

容量 (GB) 4.7 / 9.42 層 8.54

3.95 / 7.9 4.7 / 9.4 4.7/9.4 4.7/9.4

形状 disk disk cartridge disk disk

マーク形成材　料

ピット形成1 層 R=45-852 層 R=18-30

熱変形型有機色素R=45-85%

相変化型GeSbTe 系R=18-30%

相変化型AgInSbTe 系R=18-30%

相変化型AgInSbTe 系R=18-30%

レーザ波長レンズ NA

650/6350.6

650/6350.6

6500.6

638/6500.6

6500.65

最短マーク長 １層 :0.42 層： 0.44

0.4 0.41-0.43 0.4  0.4

トラック幅 0.74 0.8Wobbled Land pre-bit

0.74Wobbled L/G

0.74Wobbled Land pre-bit

0.74 HF Wobbled groove

書き換え可能回数

－ － 105 103-104 103-104

復習コーナMO （光磁気）記録

記録：　熱磁気 ( キュリー温度）記録 光を用いてアクセスする磁気記録

再生：　磁気光学効果 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換

MO, MD に利用 互換性が高い 書き替え耐性高い： 1000 万回以上 ドライブが複雑 ( 偏光光学系と磁気系が必要） MSR, MAMMOS, DWDD など新現象の有効利用可

能

復習コーナ光磁気ディスク

記録：　熱磁気 ( キュリー温度）記録再生：　磁気光学効果MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.

3G MD ： 6cm 　 audio 70 min

→Hi-MD audio13 hriD-Photo, Canon-anasonic(5cm)

レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 キュリー温度以上になると磁化を消失 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録

復習コーナ光磁気記録 情報の記録 (1)

外部磁界 光磁気記録媒体

温度

光スポット

Tc

コイル

M

Tc

補償温度 (Tcomp) の利用 アモルファス TbFeCo は　一種のフェリ磁性体なので

　補償温度 Tcomp が存在 Tcomp で Hc 最大 :

記録磁区安定

復習コーナ光磁気記録 情報の記録 (2)

T

M TbFeCo

Tcomp

Hc

Mtotal室温

TcTbFe,Co

復習コーナ光磁気記録 情報の読み出し

磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換

D1

D2

+

-LD

偏光ビームスプリッタS

N

N

S

N

S

第１１回に学ぶこと 磁界の定義

電流による定義 力による定義 両者をつなぐもの

磁界の発生と計測 磁気モーメントと磁化 磁性に親しもう

磁性体を特徴づけるもの：磁気ヒステリシス 磁性体は何に応用されているか 永久磁石 磁石になる元素たち

磁界の定義 (1)

電流による定義 単位長さあたり n ターンのソレノイドコイルに電

流 I [A] を流したときにコイル内部に発生する磁界* の強さ H [A/m] は H=ni であると定義する。

*応用磁気系用語では磁界、物理系用語では磁場という。いずれも英語では magnetic field である。

磁界の定義 (2)

2. 力による定義 ・距離 r だけ離れた磁極 q1[Wb] と磁極 q2[Wb] の間に働く力 F[N] は、磁気に関するクーロンの法則 F=kq1q2/r2 で与えられる。 k は定数。磁極 q1 がつくる磁界 H 中に置かれた磁極 q2 [Wb] に働く力 F[N] は F=q2H で与えられるので、磁界の大きさは H=kq1/r2 で表される。

q1 q2

Fr

q1 -q2Fr

2つの定義をつなぐ

一方、 q1 から磁束が放射状に放出しているとして、半径 rの球面を考える。

ガウスの定理により 4r2B=q1 であるから B=q1/4r2

磁束密度 B [T=Wb/m2] と H を結びつける換算係数 0 を導入すると B=0H となる。

すると H=q1/40r2. となり、これよりクーロンの式の係数 k は k=1/40 となる。

従って、クーロンの式はF=q1q2/40r2

q1q2 F

H

+[T] はテスラ、 [Wb] はウェーバーと読む。 cgs-Gauss 系の単位 [G]( ガウス ) との関係は、 1[T]=10000[G]真空の透磁率 0 は、 410-7[H/m] ここに [H] はヘンリーと読む。

SI 単位系と cgs-emu 単位系

磁界 H の単位： SI では A/m 、 cgs では Oe( エルステッド ) 1[A/m]=410-3[Oe]=0.0126[Oe] 1[Oe]=(4)-1103[A/m]=79.7[A/m]

磁束密度 B の単位： SI では T （テスラ）、 cgs では G( ガウス ) 1[T]=1[Wb/m2]=10000[G]

B=0H+M; cgs では B=H+4M 0=410-7[H/m]; 真空中で H=1[A/m] の磁束密度は 410-7[T]=1.256[T]cgs で測った H=1[Oe]=79.7[A/m];B=100 [T]=1[G]

磁化 M: 単位体積 [m3] あたりの磁気モーメント [Wb ・ m]M=1[Wb ・ m-2] →M=(10000/4)[emu]=796[emu]

磁界の発生 :電磁石

空心電磁石ソレノイド

1cm あたり 100ターン1A の電流を流すと10000A/m 、

磁束密度は 4πx10-7x 104= 12.6mT 　

超伝導電磁石10cm に 1000ターン、100A流すと 106A/m;1.26T

鉄心電磁石約 B=2T程度水冷コイル

空心ソレノイドコイルせいぜい 10mT

超伝導コイル最大 10T

鉄心電磁石

磁界の測定

ガウスメータホール素子で測定

ホール・プローブ

ホール素子

QUIZ １

1cm あたり 1,000 回巻いた空心のコイルに 1A の電流を流したときの磁界の強さはいくらか (SI 単位 ) 。 1000turn/cm=105turn/m

このときの磁束密度はいくらか (SI 単位 ) 。B= 0H 　　　（ 0=410-7[H/m] ）

この中に比透磁率 r=8,000 のパーマロイ合金 (Fe80Ni20) を入れたとき、磁束密度はいくらか。 B=r 0H

磁界の大きさ 地磁気の大きさ：場所によるが　 B~50 T (H=B/0~40 A/m) 空心ソレノイドで作れる磁界： 10 mT 鉄心電磁石で出せる磁界：ほぼ 2 T 超伝導電磁石で出せる磁界：ほぼ　 10 T ハイブリッドマグネット　 30-45 T パルス超強磁界（非破壊型）　 60T パルス超強磁界（破壊型） 　 850 T

東北大金研の31T ハイブリッドマグネット

磁極と磁気モーメント 磁石には、 N極と S 極がある。 磁界中に置かれた磁性体にも磁極が誘起される。磁

極は必ず、 NS の対で現れる。 ( 単極は見つかっていない )

磁極の大きさを q [Wb] とすると、磁界によって NSの対に働くトルクは -qdHsin [N・ m]=qdsin [Wbm] H[A/m]

必ず N と S が対で現れるなら m=qr を磁性を扱う基本単位と考えることが出来る。これを磁気モーメントという。単位は [Wbm]

磁気モーメント

一様な磁界 H 中の磁気モーメントに働くトルク T は

T=qH r sin=mH sin 磁気モーメントのもつポテンシャル E は

　　 E=Td= mH sin d=mH(1-cos) ポテンシャルの原点はどこにとってもよいから E=-mH

m//H のときエネルギーは極小になる。 m は H に平行になろうとする。

( 高梨：初等磁気工学講座 ) より

Ｓ　

　　

　　

　　

　　

　Ｎ

r 磁気モーメントm=qr [Wbm]

-q [Wb]

+q [Wb]

qH

-qH

rsin

単位： E[J]=-m[Wbm] H[A/m];

磁界（磁場） H 、磁束密度 B 、磁化M

磁界 H 中に置かれた磁化 M の磁性体が磁束密度は、真空中の磁束密度に磁化による磁束密度を加えたものである。すなわち、 B=0H+M

B=0H B=0H+M

M

磁性体があると磁束密度が高くなる。

真空中での磁束密度

磁化

磁性体に磁界を加えたとき、その表面には磁極が生じる。

この磁性体は一時的に磁石のようになるが、そのとき磁性体が磁化されたという。

(b)(a)

( 高梨：初等磁気工学講座 ) より

磁化の定義 ミクロの磁気モーメントの

単位体積あたりの総和を磁化という。

K番目の原子の１原子あたりの磁気モーメントを kとするとき、磁化 M は式M= kで定義される。

磁気モーメントの単位はWbm であるから磁化の単位は Wb/m2 となる。

( 高梨：初等磁気工学講座 ) より

磁化曲線 磁性体を磁界中に置き、磁界を増加していくと、

磁性体の磁化は増加していき、次第に飽和する。 磁化曲線は磁力計を使って測定する。

VSM: 試料振動型磁力計試料を 0.1～ 0.2mm程度のわずかな振幅で 80Hz程度の低周波で振動させ、試料の磁化による磁束の時間変化を、電磁石の磁極付近に置かれたサーチコイルに誘起された誘導起電力として検出する。誘導起電力は試料の磁化に比例するので、磁化を測定することができる。　 スピーカーと同じ振動機構

電磁石磁極付近に置いたサーチコイル

VSM ブロック図

丸善実験物理学講座「磁気測定 I」p.68 より

Y2BiFe4GaO12 の磁気ヒステリシス

面内・面直方向の比較

- 0.05

0

0.05

- 60000 - 40000 - 20000 0 20000 40000 60000

磁場（Ａ／ｍ）

磁化（Ｔ）

面内方向

面直方向

磁性体を特徴づけるもの磁気ヒステリシス 強磁性体においては、その磁化は印加磁界に比例せず、ヒステリシスを示す。

(高梨：初等磁気工学講座テキスト )

O→B→C: 初磁化曲線 C→D: 残留磁化 D→E: 保磁力 C→D→E→F→G→C:ヒステリシスループ

縦軸：磁化

横軸：磁界

磁気ヒステリシスと応用 保磁力のちがいで

用途が違う Hc 小：軟質磁性体

磁気ヘッド、変圧器鉄心、磁気シールド

Hc 中：半硬質磁性体 磁気記録媒体

Hc 大：硬質磁性体永久磁石

このループの面積が磁石に蓄積される磁気エネルギー高周波の場合はヒステリシス損失となる。

キュリー温度とネール温度

原子磁気モーメントが整列している状態には、強磁性と反強磁性がある

温度が高くなると整列させる力に熱的にランダムにしようとする力が勝って常磁性になる

強磁性常磁性の転移温度をキュリー温度反強磁性常磁性の転移温度をネール温度という。

自発磁化の温度変化

さまざまな J について、分子場理論で交点のM/M0 を T に対してプロットすると磁化の温度変化を求めることができる。

× は鉄、●はニッケル、○はコバルトの実測値、実線は J としてスピン S=1/2,1,∞ をとったときの計算値

磁性体はどこに使われている？ 磁気記録、光磁気記録→ IT 光アイソレータ→光ファイバ通

信 永久磁石→モータ、アクチュエ

ータ 変圧器、インダクター用磁心

永久磁石のいろいろ

ハードディスク

磁石 (永久磁石 ) は何で出来ている？

鉄？いいえ。鉄だけの磁石はありませんアルニコ磁石（ AlNiCoFe) フェライト磁石 (BaFe12O19 or SrFe12O19 )サマコバ磁石 SmCo5

ネオジム磁石Nd2Fe14B １９８２年佐川眞人さん（当時住友特殊金属勤務）が発明

1936 年加藤与五郎、武井武博士（東工大）が発明

1930 年代に開発

1960 年代に開発

磁石のいろいろ

フェライト磁石 ネオジム磁石 サマコバ磁石 アルニコ磁石

ラバー磁石 キャップ磁石 磁石応用製品

www.26magnet.co.jp/ webshop/top_menu.htmlより

BaFe2O4 NdFe2B14 SmCo5 FeAlNiCo

永久磁石の最大エネルギー積 (BH)max の変遷 (http://www.aacg.bham.ac.uk/magnetic_materials/history.htm)

BHmax