创新的光检测技术“自旋光电探测器”、 其诞生的背后故事及未来潜力

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光与自旋融合的创新概念

—自旋光电探测器这一创新性设备是如何研发出来的？

福泽：自加入TDK以来，我一直从事自旋电子器件的开发，近年来还负责光学器件、AR眼镜和光电融合技术的开发。基于这些经验，我认为自旋电子学和光的融合可能会诞生一项新技术，于是萌生了自旋光电探测器的想法。我拜读了塚本教授2007年发表的关于自旋光电探测器原理“电子加热”的论文，并请他协助共同开发。

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福泽英明 室长
*自加入公司以来，他一直从事HDD磁头业务，近年来参与光学设备的开发。

塚本：我论文中发表的磁性材料的“电子加热”是指在很短的时间内，光等能量直接作用于电子，导致仅电子系统的温度以飞秒（1000万亿分之1秒）为单位升高的现象。物体本身（原子的运动）保持不变，只有电子会升温，而且其热变化可以引起磁性变化。这一现象是自旋光电探测器的一个重要原理。

一开始，磁记录对我来说是一个重要的研究目标，但这项研究需要一种超高速、可光探测的元件，但这种元件并不存在。因此，我想用MTJ元件进行光检测，但我缺乏实现这一目标所需的先进技术或专门知识。在这种情况下，在MTJ元件领域拥有优势的TDK公司找到了我，我们以积极的方式开展了联合研究。

日本大学理工学部 塚本新教授
*利用短时间（飞秒）光研究超高速磁性和磁记录。以“自旋能以多快的速度移动”为主题进行研究。

福泽：自旋光电探测器的构想本身是由TDK基于光和自旋融合的想法构思出来的。但是，要真正实现这一点，还需要物理上的支持和验证。我们当时没有评估的手段，所以向塚本教授寻求帮助。开始的想法是，只要能接收到某种信号，响应速度慢一点也没关系。

柴田：我在2021年给教授发了邮件，当时正值疫情期间。从开始的交流到制作原型、确认响应，再到重新设计，一切都充满了未知，我们一直在摸索，但这也很有意思。

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柴田哲也 课长
*自加入公司以来，他负责手机使用的天线等高频器件的设计已有约10年。之后，他参与了自旋光电探测器的开发。

塚本：通常，当与企业进行联合研究时，会指定明确的领域和主题，但这次并非如此。我们从零开始一起思考，共同打造核心部分，所以我觉得这是真正意义上的联合研究。

*MTJ元件：一种磁性隧道结元件，其绝缘体夹在两层铁磁体之间。具有根据磁化方向改变电阻的性质，TDK将其应用于HDD磁头和TMR传感器等产品中。

*电子加热：将光等能量直接作用于电子，导致仅电子系统温度急剧升高的现象。通常情况下，物质是通过原子核的振动来加热的，但在电子加热中，只有电子在飞秒单位的极短时间内被加热。这种电子温度的升高引起磁性变化，正是自旋光电探测器超高速工作的原理。

利用飞秒（1000万亿分之一秒）激光开发自旋光电探测器

—联合研究实际开展后，项目推进过程中是如何分工的呢？

塚本：我从零开始组装了一个测量系统，利用飞秒激光将超高速光脉冲照射到元件上，并观察其响应。这种响应速度是普通电子系统无法捕捉的，因此它是一个复杂的系统，涉及光、磁、电的高维度。我特别担心的是，“这真的能测量吗？”，无法确定。在评估指标本身不存在的情况下，我们必须自行制定标准。

柴田：我负责元件方面的电路设计和响应确认。在自旋光电探测器中，MTJ检测到电子加热引起的磁状态变化，但其信号无论如何都是微弱而快速的。为了不错过快速响应，我们还对模拟电路进行了多次调整。当我第一次确认到明确的响应时，我真的很感动。这大约是在开发开始一年后。

福泽：实际上，我们从设备的概念阶段就开始一起工作了。这对TDK来说也是很少见的，能够一边分享通常不会向外界提出的初期阶段的想法和假设一边推进，是特别宝贵的经验。

—在开发过程中，特别困难的地方是什么？

塚本：通常，传感器和设备都有共同的理解、标准性评估方法和原理，例如“这样测量就可以了”、“这样工作就可以了”。但是，对于自旋光电探测器，没有类似的东西。我们意识到自己正在研究新物理学，但实际上对其进行定量评估却极其困难。从某种意义上说，照射光其本身就是一种“刺激”，而整个挑战在于如何捕捉、如何辨别这种反应。

福泽：对于TDK来说，这个项目的特别之处在于，从项目的核心阶段，也就是“概念的验证阶段”开始与外部合作。这种合作方式在通常的产学研合作中并不常见，我们能够在与教授真正坦诚地交换意见的同时进行研究。现在回想起来，我认为这正是项目成功的关键。

利用高速光电探测器加速“光电融合”

—我听说自旋光电探测器的响应速度快，预计会带来怎样的技术和社会影响呢？

福泽：论文中提到自旋光电探测器的响应速度为20皮秒，但我们认为它有潜力实现更快的速度。理论上，它甚至可以在几百飞秒，即20皮秒的百分之一的量级上做出响应。事实上，我们认为只是我们的测量仪器没有跟上，设备本身的响应速度更快。如果这一点得到证实，可以说它是革新的高速光电探测器。

自旋光电探测器的结构

塚本：这个速度的意味非同凡响。如果用电子温度加热的概念来理解能量从光传输到电子并转换为电信号的速度，那么能量的传输速度比原子振动的速度还要快。也就是说，传统传感器无法测量的区域将能够通过自旋光电探测器“可见”。这在科学和应用上都具有重大的意义。

柴田：预计第一个社会应用是AI运算中心和数据中心的光电融合(CPO)。在要求高速化的情况下，“接收端”的性能尤其成为瓶颈。自旋光电探测器被认为是解决这一挑战的关键设备。TDK还开发了发送端技术，因此能够同时覆盖这两个方面的技术能力是我们的主要优势。

*光电融合：将光学元件和电子元件紧密结合的技术。据说，通过融合光的高速性和电子的可控性，可以实现超越传统电子设备的高速通信和低功耗等。

—除此之外还有哪些应用范围呢？

塚本：我个人认为，生物领域也是有潜力的。例如，使用近红外光测量大脑活动状态，以及在BMI（脑机接口）中的应用。自旋光电探测器有可能实时、高精度地探测到以前看不见的微小信号。不仅能够捕捉体内血流和代谢的变化，还可能使神经活动和接近“思考”部分实现可视化。

福泽：宇宙开发也是一个重要的应用领域。自旋光电探测器具有出色的耐环境性能，有望作为光接收设备在月球基地和空间站等极端环境下也能发挥作用。实际上，我们已经收到了来自海外的技术咨询。像自旋光电探测器这样的轻量、高速、高可靠性的设备，在地球上是理所当然的，但在宇宙中却很难实现，但在如此有限的条件下却特别有效。

柴田：未来，我们也会考虑将这项技术应用于智能手机和可穿戴设备。虽然目前这项技术主要面向数据中心，但我认为有一天可能会扩展到面向个人设备。

旨在打造理想产品的联合研究

—通过这项研究，您印象深刻的是什么？

塚本：在我的研究者生涯中，我第一次遇到了一个“真正有感觉”的主题。这感觉就像在理学和工程学之间架起了一座桥梁，并将研究成果转化为实际的设备。这真是一次难得的经历。我有一种“自己正在尝试探索人类从未见过的事物”的感受。

柴田：技术方面自不必说，通过与塚本教授的交流，我作为一名技术人员的视野得到了拓展。我觉得能够分享梦想中的应用和展望未来的观点，也促进了我自己的成长。开发初期MTJ元件显示响应时的惊讶和喜悦，至今难忘。

福泽：作为一家企业，我们致力于商业化目标的开发。对于这个目标，在与塚本教授的这次联合研究中，我们能够始终从物理的角度进行讨论，并确认理论上应该可以实现这一点的证据，这给了我很大的帮助。我认为这产生了很大的协同效应。

—发表后的反响如何？

福泽：我们发布了英文新闻稿后，就被一家全球知名媒体单独刊登，随后就被各地的媒体报道。还被翻译成各国的当地语言，在各地引起了关注。也收到了很多业内人士的咨询。

塚本：我还陆续被邀请到学术会议上演讲和做讲座。有些人甚至说：“我们组织了一次会议，就是因为我们想听听这个故事。”大学知识产权部门问道：“这真的是塚本教授的研究吗？”，令我印象深刻(笑)。由此可见，反响多么热烈。

总结
自旋光电探测器不仅仅是一项新的传感器技术，更是通往新物理现象的大门，用于"测量无法测量的事务"。塚本教授多年的研究，加上TDK技术人员的构想和挑战，终于将这项创新的尝试变为现实。通过此次对话，我们清晰地认识到，将“真正快速的现象”“实时”捕捉为“电信号”在未来社会中蕴藏着潜力。创新的光电检测元件“自旋光电探测器”将极大地扩展其未来的应用范围，从人工智能到生物和宇宙。