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東北大と東大、音波によるスピン流の増幅を室温・低磁場で実現することに成功

発表日:2019年11月14日

室温でも音波とスピン流は共鳴する

スピンを利用した環境発電素子の性能向上に期待

【発表のポイント】

●低温・高磁場でなければ観測できなかった、音波によるスピン流の増幅を室温かつ低磁場で実現することに成功した。

●材料に着目することで増幅率を従来の700%近く向上することができた。

●室温・低磁場環境での実証により、スピンを利用した熱電素子の性能向上に利用できる。

【概要】

東北大学材料科学高等研究所のRafael Ramos(ラファエル ラモス)助教と橋本祐介助教、東北大学金属材料研究所の日置友智氏(大学院博士課程・日本学術振興会特別研究員)、東北大学材料科学高等研究所・金属材料研究所の吉川貴史助教と東京大学大学院工学系研究科の齊藤英治教授(東北大学材料科学高等研究所・金属材料研究所兼任)らは、Lu2BiFe4GaO12からなる薄膜を作製し、この試料において、室温かつ低磁場な環境においても音波(フォノン(注1))がスピン流(注2)を増幅することを明らかにしました。

本成果は2019年11月14日に「Nature Communications」オンライン版で公開されます。

【研究の背景】

スピン流とは、電子の磁気的性質である「スピン」の流れのことで、電子の電荷の流れである電流と対比されます。熱流から電流を生み出す熱電変換(ゼーベック効果)と同様に、そのスピン流版であるスピンゼーベック効果(注3)を通じた熱電変換現象は、排熱を利用した環境発電への利用を目指して研究が進められています。

スピンゼーベック効果から熱電変換を実現する素子は、金属と磁性体からなる薄膜という単純な構造であり、低コストで汎用な熱電変換素子になりうるとして期待されています。

このスピンゼーベック効果による熱電変換効率の増大に向けてはさまざまな観点から研究が行われていますが、その中で、物質中の音波(フォノン)がスピン流の担い手であるマグノン(注4)と共鳴することで、スピンゼーベック効果を増大させる混成効果が近年報告されました。これは物質中の音波とスピン波が同じ波長(振動数)で伝搬する時に、スピン流の伝搬距離が伸びるために生じる現象であると考えられています。

しかし、この共鳴現象を起こすには日常生活では不可能な低温かつ高磁場が必要であることが、この現象を素子性能の向上に利用するための課題となっていました。

物質中のフォノンを利用したスピンゼーベック効果の増大現象を室温・低磁場で実現するためには、フォノンとマグノンが共鳴する条件を低磁場にシフトさせ、かつ、混成効果を大きくすることが必要ですが、どのような条件であればこれが実現できるでしょうか。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0523319_01.pdf

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