(57)【要約】【課題】  新たな駆動原理を用いて、モータの小型化を実現する。【解決手段】  ジャイロ磁気モータ１０は、回転子１１と、回転子１１に通電するために、回転子１１が回転自在に接続するカソード電極１２およびアノード電極１３とを備える。カソード電極１２は、強磁性体であり、回転軸と平行な方向に磁化されている。回転子１１は非磁性体である。アノード電極１３からカソード電極１２に電流を流すと、カソード電極１２にてスピン分極した電子が、回転子１１に注入される。このとき、注入された電子のスピン分極が緩和されて、注入される電子全体の角運動量が低下し、その反作用として、低下した分の角運動量が回転子１１に追加されて、回転子１１が回転する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
該回転子に通電するために、前記回転子が回転自在に接続する第１および第２の電極とを備えており、
前記通電は、第１および第２の電極の間を、前記回転子を介して、磁気分極可能な電荷担体が移動することにより行われ、
第１の電極は、前記回転子の回転軸と平行な方向に磁化されており、
前記回転子は、第１の電極に比べて、磁化の大きさがゼロ若しくは小さい、または磁化の向きが異なることを特徴とするジャイロ磁気モータ。
【請求項２】
前記磁気分極可能な電荷担体は、スピン分極可能な電子であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ磁気モータ。
【請求項３】
第１の電極は強磁性体であり、前記回転子は非磁性体であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ磁気モータ。
【請求項４】
第１の電極は強磁性体であり、前記回転軸と平行な方向に予め磁化されていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ磁気モータ。
【請求項５】
第２の電極は、前記回転子の回転軸と平行な方向であって、第１の電極とは反対向きに磁化されており、
前記回転子は、第１および第２の電極に比べて、磁化の大きさがゼロ若しくは小さい、または磁化の向きが異なることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ磁気モータ。
【請求項６】
前記回転子は、１分子であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ磁気モータ。
【請求項７】
前記回転子と第１の電極とは、回転軸にてシグマ結合していることを特徴とする請求項６に記載のジャイロ磁気モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロ磁気効果（磁気回転効果）を利用したモータであるジャイロ磁気モータに関するものである。特に、本発明は、分子など、ナノスケールの物体を回転子とするジャイロ磁気モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気モータは、磁界中の電流が受ける力を利用して、電気エネルギーを回転などの機械エネルギーに変換するものである。このため、電気モータは、電流が流れるコイルと、磁界を発生される永久磁石または電磁コイルとを有する必要がある。
【非特許文献１】Park, H. et al., Nature 407, 57-60 (2000).
【非特許文献２】Park, J. et al., Nature 417, 722-725 (2002).
【非特許文献３】Noji, H. et al., Nature 386, 299-302 (1997).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近時、ナノテクノロジーが急激に進歩している。これに伴い、ナノスケールの機械であるナノマシンの開発が進められている。ナノマシンの実現には、ナノスケールの物体に駆動力を与えるモータ（以下、「ナノモータ」と称する。）が必要である。
【０００４】
上述のように、従来の電気モータは、コイルおよび磁石を有する必要がある。このため、従来の電気モータの寸法は、コイルおよび磁石の寸法と幾何学的配置とによって規定される。これらコイルおよび磁石は、ナノスケールで製造することが困難であるため、従来の電気モータをナノスケールまで小型化することは困難である。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の駆動原理とは異なる駆動原理を用いて、ナノスケールの物体に駆動力を与えるような小型化が可能なモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係るジャイロ磁気モータは、回転子と、該回転子に通電するために、前記回転子が回転自在に接続する第１および第２の電極とを備えており、前記通電は、第１および第２の電極の間を、前記回転子を介して、磁気分極可能な電荷担体が移動することにより行われ、第１の電極は、前記回転子の回転軸と平行な方向に磁化されており、前記回転子は、第１の電極に比べて、磁化の大きさがゼロ若しくは小さい、または磁化の向きが異なることを特徴としている。
【０００７】
上記の構成によると、第１の電極が回転子の回転軸と平行な方向に磁化されているので、第１の電極の電荷担体が回転軸の方向に磁気分極している。ここで、第１および第２の電極の間に電圧を印加して、第１の電極から回転子に上記磁気分極した電荷担体を移動させる。このとき、回転子は、第１の電極に比べて、磁化の大きさがゼロ若しくは小さい、または磁化の向きが異なるので、回転子に移動した電荷担体の磁気分極は緩和される。このため、移動した電荷担体全体の角運動量が減少し、角運動量保存則により、減少した分の角運動量が回転子に追加される。したがって、第１の電極から回転子に上記磁気分極した電荷担体を移動させ続けることにより、回転子にトルク（回転力）を与えることができ、回転子を回転させることができる。
【０００８】
したがって、本発明に係るジャイロ磁気モータは、従来の電気モータと比べて、回転子を磁石またはコイルとしたり、回転子の周囲に磁石またはコイルを設けたりする必要がないので、簡便な構成とすることができ、装置サイズを小型化することができる。
【０００９】
なお、第１および第２の電極の間に反対向きの電圧を印加して、回転子から第１の電極に電荷担体を移動させると、回転子の回転の向きが反対向きになる。これは以下の現象によるものである。
【００１０】
すなわち、第１の電極では、電荷担体が回転軸の方向に磁気分極している。このため、回転子から第１の電極に移動する電荷担体のうち、磁気分極の向きが第１の電極における磁気分極の向きと同じ向きである電荷担体は通り易く、反対向きである電荷担体は通り難い。これにより、回転子には、磁気分極の向きが第１の電極における磁気分極の向きと反対向きである電荷担体が残ることになる。この電荷担体が緩和されることにより、角運動量保存則に従って、上述とは反対向きの角運動量が回転子に追加される。したがって、回転子から第１の電極に電荷担体を移動させ続けることにより、上述とは反対向きのトルク（回転力）を回転子に与えることができ、回転子を逆向きに回転させることができる。
【００１１】
また、電荷担体としては、電子、イオン、正孔などが挙げられるが、磁気分極可能な電荷担体としては、スピン分極可能な電子または正孔が望ましい。電子の場合、第１の電極は、回転軸と平行な方向に磁化されているので、電子のスピンの向きが、回転軸と平行な方向に揃っている。ここで、第２の電極から回転子を介して第１の電極に電流を流すと、第１の電極から回転子に電子が移動することになる。このとき、移動した電子のスピンが上述のように緩和されて、移動した電子全体の角運動量が低下し、角運動量保存則により、低下した分の角運動量が回転子に追加される。したがって、通電を継続することにより、回転子にトルク（回転力）が発生し、回転子が回転する。
【００１２】
また、第１の電極は強磁性体であり、回転子は、強磁性体以外の磁性体である非磁性体であることが好ましい。この場合、第１の電極における電荷担体のスピン分極の度合いが高く、かつ、第１の電極から回転子に注入された電荷担体が、回転子において効率よく緩和されるので、回転子に角運動量が効率よく追加される。したがって、回転子を効率よく回転させることができる。
【００１３】
また、第１の電極は、強磁性体であり、前記回転軸と平行な方向に予め磁化されていてもよいし、磁界を印加する手段を外部に設けて、電荷担体を回転子に注入するときに磁界を印加して第１の電極を磁化してもよい。しかしながら、小型化の観点から前者の方が望ましい。
【００１４】
また、第２の電極は、前記回転子の回転軸と平行な方向であって、第１の電極とは反対向きに磁化されており、前記回転子は、第１および第２の電極に比べて、磁化の大きさがゼロ若しくは小さい、または磁化の向きが異なっていてもよい。この場合、第２の電極から回転子に磁気分極した電荷担体を注入すると、回転子に追加される角運動量の向きが反対となるので、回転子を逆方向に回転することができる。
【００１５】
なお、本発明に係るジャイロ磁気モータでは、上述のように、回転子は、注入された電荷担体の磁気分極が緩和されればよく、特別な構造を必要としない。このため、本発明に係るジャイロ磁気モータは、回転子を、例えば１分子のような、ナノスケールの物体に適用することが可能である。また、この場合、前記回転子と第１の電極とは、回転軸にてシグマ結合していることが、摩擦が少なく回転が容易であるため好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明に係るジャイロ磁気モータでは、第１の電極が回転子の回転軸と平行な方向に磁化しておき、第１の電極から回転子に、磁気分極した電荷担体を移動させることにより、回転子を回転させるので、前記モータの構成を簡便な構成とすることができ、装置サイズを小型化することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態について説明する前に、本発明にて利用されるジャイロ磁気効果について説明する。
【００１８】
物体中の電子の磁気モーメントは、電子の力学的角運動量（スピン）に関連している。このため、上記磁気モーメントが変化すると、物理的な回転が生じることになる。この現象は、アインシュタイン−ド・ハース効果として知られている。
【００１９】
例えば、鉄製の長い円筒が、円筒軸の回りに回転可能なように、ファイバによって吊り下げられている場合を考える。上記鉄製の円筒が磁化されておらず、かつ静止（steady）している場合には、この吊下げ系全体の角運動量はゼロである。次に、円筒軸方向に磁界を印加すると、上記鉄製の円筒が磁化され、その結果、円筒軸の回りの角運動量が発生する。そして、角運動量保存則により、発生した角運動量を打ち消すように円筒が回転する。本発明は、このジャイロ磁気効果を利用して、新たな回転モータを提案するものである。
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について図１を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態のジャイロ磁気モータの概要を示している。図示のように、ジャイロ磁気モータ１０は、回転子１１、カソード電極１２、およびアノード電極１３を備える構成である。
【００２１】
回転子１１は、非磁性体であり、カソード電極１２およびアノード電極１３に対し回転自在に接続されている。ここで、非磁性体とは、常磁性体、反磁性体などのように、強磁性以外の磁性を示す物体をいう。なお、回転子１１は、導電体でもよいし、誘電体でもよいが、カソード電極１２から注入された電子が、アノード電極１３に放出されるまでに、電子のスピン分極が完全に緩和される程度の導電率であることが望ましい。
【００２２】
カソード電極１２およびアノード電極１３は、回転子１１に電流を流すためのものである。カソード電極１２は、鉄等の強磁性体であり、回転子１１の回転軸方向（図示の矢印Ｍの方向）に磁化（磁気分極）されている。すなわち、カソード電極１２では、電子のスピンの向きが回転軸方向Ｍの向きに揃うことになる。一方、アノード電極１３は、銅、アルミニウム等の非磁性体である。
【００２３】
上記構成のジャイロ磁気モータ１０において、アノード電極１３からカソード電極１２に電流を流すと、カソード電極１２から回転子１１に電子が注入される。このとき、注入される電子全体の磁気分極は、回転子１１が非磁性体であるので、緩和される。すなわち、揃っていたスピンの向きがバラバラになる。このため、注入される電子全体の角運動量が減少し、角運動量保存則により、減少した分の角運動量が回転子１１に追加される。したがって、アノード電極１３から回転子１１を介してカソード電極１２に電流を流すことにより、回転子１１に回転軸方向Ｍにトルク（回転力）を与えることができ、回転子１１を回転軸方向Ｍに向かって右回りに回転させることができる。
【００２４】
例えば、カソード電極１２から回転子１１に注入された電子が、アノード電極１３に到達するまでに、電子のスピンの向きが完全にバラバラになる場合を考える。この場合、各電子の角運動量の大きさが、
（１／２）×（ｈ／（２×π））（但し、ｈ：プランク定数）
であるから、各電子が回転子１１に追加する角運動量の大きさの平均値は、
（１／２）×（ｈ／（２×π））×（１／２）＝（１／４）×（ｈ／（２×π））
となる。したがって、回転子１１におけるトルクの大きさは、
（１／４）×（ｈ／（２×π））×（ｐ×Ｉ／ｅ）
となる。ここで、ｐはカソード電極１２における電子のスピン分極の度合いである。また、Ｉは電流であり、ｅは電子の電荷（電気素量）である。すなわち、Ｉ／ｅは、単位時間に回転子１に注入される電子の数を表す。
【００２５】
電極１２・１３間の通電を継続することにより、回転子１１にトルクを継続して与えることができる。したがって、本実施形態のモータ１０は、スピン分極した電子の注入と、注入した電子のスピン分極の緩和とにより、ジャイロ磁気効果に基づいて作動するジャイロ磁気モータとして機能することができる。また、本実施形態のジャイロ磁気モータ１０は、従来の電気モータと比べて、回転子を磁石またはコイルとしたり、回転子の周囲に磁石またはコイルを設けたりする必要がないので、簡便な構成とすることができ、装置サイズを縮小化できる。
【００２６】
なお、カソード電極１２の磁化方向Ｍを反対向きに変更することにより、回転子１１の回転の向きを反対向きに変更できる。詳述すると、カソード電極１２の磁化方向Ｍを反対向きに変更すると、カソード電極１２における電子のスピンの向きが、回転軸方向Ｍの向きと反対向きになる。このため、回転子１１に注入される電子により回転子１１に追加される角運動量の向きも反対向きとなる。したがって、アノード電極１３から回転子１１を介してカソード電極１２に電流を流すことにより、回転子１１に回転軸方向Ｍと反対向きにトルク（回転力）を与えることができ、回転子１１を回転軸方向Ｍに向かって左回りに回転させることができる。
【００２７】
また、電流を反対方向に流す、すなわちカソード電極１２から回転子１１を介してアノード電極１３に電流を流すことにより、回転子１１の回転の向きを反対向きに変更できる。
【００２８】
詳述すると、カソード電極１２では、電子が磁化方向Ｍにスピン分極している。このため、回転子１１からカソード電極１２に移動する電子のうち、スピンの向きが磁化方向Ｍと同じ向きである電子は通り易く、反対向きである電子は通り難い。これにより、回転子１１には、スピンの向きが磁化方向Ｍと反対向きである電子が残ることになる。この電子が緩和されることにより、角運動量保存則に従って、回転子１１に角運動量が追加される。
【００２９】
したがって、カソード電極１２から回転子１１を介してアノード電極１３に電流を流すことにより、回転子１１に回転軸方向Ｍと反対向きにトルク（回転力）を与えることができ、回転子１１を回転軸方向Ｍに向かって左回りに回転させることができる。すなわち、電流の向きを反対にすることにより、回転子１１を逆向きに回転させることができる。
【００３０】
また、アノード電極１３を強磁性体とし、アノード電極１３をカソード電極１２の磁化方向Ｍと反対向きに磁化してもよい。この場合、電流を反対方向に流す、すなわちカソード電極１２からアノード電極１３に流すことにより、回転子１１の回転の向きを反対向きに変更できる。また、カソード電極１２およびアノード電極１３は、回転子１１を介して電流を流すことができれば、回転子１１の回転軸Ａ以外の部分にて接続してもよい。
【００３１】
また、カソード電極１２は、ジャイロ磁気モータ１０の組立て前に、予め磁界を印加して永久磁石とすることにより予め磁化されていてもよいし、ジャイロ磁気モータ１０の動作中に外部からカソード電極１２に磁界を印加することにより、磁化されてもよい。予め磁化されている方が、外部に磁界発生手段を必要としないので、小型化の点で望ましい。
【００３２】
ところで、本実施形態のジャイロ磁気モータ１０では、回転子１１は、注入された電子のスピン分極が緩和されればよく、特別な構造を必要としないため、例えば分子のようなナノスケールの物体に適用することが可能である。
【００３３】
最近のナノ技術の進歩により、電極同士の間隙をナノスケールとし、該間隙に１個の分子を設けて、該分子の電気輸送（electrical transport）特性を計測することが可能となっている（非特許文献１・２を参照）。したがって、図１に示される回転子１１として分子を用い、回転子１１と電極１２・１３との間の結合を、例えばシグマ結合のような、摩擦が少なく回転が容易な結合（ルーズな結合）とすることにより、本実施形態のジャイロ磁気モータ１０をナノモータとして製造することが可能である。
【００３４】
また、非特許文献３には、生体における最小の回転モータとして知られているＦ１−ＡＴＰａｓｅは、回転トルクが４０ｐＮ・ｎｍ（ピコニュートン・ナノメートル）であることが示されている。この回転トルクを本実施形態のジャイロ磁気モータ１０において取得するには、上記スピン分極の度合いｐを１とすると、電流Ｉを約２５０μＡとすればよい。この電流値は、上記非特許文献２に記載の１分子トランジスタにおける電流値に近い。すなわち、本実施形態のジャイロ磁気モータ１０は、１分子を回転子１１とし、１分子に通電可能な電流を流すことにより、公知のナノモータと同程度の回転トルクを実現することが可能である。
【００３５】
なお、回転子として適用可能な分子の例としては、ベンゼン、複素環式化合物、ポリアセチレンなどが挙げられる。
【００３６】
また、回転子１１として、ヘリカル構造の分子を用いる場合には、液体中にてジャイロ磁気モータ１０を回転させることにより推進力を得ることができる。したがって、ジャイロ磁気モータ１０は、回転力および推進力を与えることができるので、将来のナノマシンの中核を担う能力を有していると考えられる。
【００３７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３８】
例えば、上記実施形態では、カソード電極１２として、回転軸方向Ｍに磁化した強磁性体を利用しているが、回転軸方向Ｍまたはその反対向きに電子がスピン分極した任意の構成を利用することができる。例えば、カソード電極１２として、常磁性体または反磁性体を利用し、外部から磁界を回転軸方向Ｍまたはその反対向きに印加する構成であってもよい。なお、カソード電極１２を強磁性体とする方が、一度磁化すれば外部からの磁界の印加が不要である点と、電子のスピン分極の度合いが大きい点で有利である。
【００３９】
また、上記実施形態では、回転子１１として非磁性体を利用しているが、カソード電極１２から注入される電子のスピン分極を緩和できる任意の構成を利用することができる。例えば、回転子１１は、その電子がスピン分極していても、カソード電極１２の電子に比べて、スピン分極の度合いが小さいか、スピン分極の向きが異なる場合には、カソード電極１２から回転子１１に注入される電子のスピン分極が緩和されることになる。
【００４０】
具体的には、カソード電極１２を常磁性体とし、回転子１１を反磁性体として、外部から磁界を回転軸方向Ｍまたはその反対向きに印加する構成であってもよい。また、カソード電極１２を強磁性体とし、回転軸方向Ｍに磁化する一方、回転子１１を強磁性体とし、回転軸方向Ｍと反対向きに磁化する構成であってもよい。なお、回転子１１を非磁性体とする方が、電子スピン分極の度合いが小さい点と、種々の物質を利用できる点とで有利である。
【００４１】
また、上記実施形態では、カソード電極１２から回転子１１にスピン分極した電子を注入しているが、イオンまたは正孔などの電荷の担体であって、磁気分極した電荷の担体を注入しても、上述の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のジャイロ磁気モータは、回転子に特別な構造を必要としないため、例えば分子のようなナノスケールの物体を回転子とすることもでき、ナノマシンにおいて駆動力を与えるためのモータとして適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態を示すジャイロ磁気モータの要部概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    ジャイロ磁気モータ
１１    回転子
１２    カソード電極（第１の電極）
１３    アノード電極（第２の電極）
Ａ    回転軸
Ｍ    磁化の向き
【図１】
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