研究目的

NIMSスピンエネルギーグループでは、スピントロニクスと熱電・熱輸送物性の融合に基づく「スピンカロリトロニクス」に関する研究を主に行っています。従来のスピンカロリトロニクスの枠組みを超えた異分野の技術や知見を導入し、電子輸送・磁性（スピン）・フォノン・強誘電性等の協奏効果によって駆動される新しい熱変換・熱制御・熱移送現象や機能性の開拓、およびそれらのエネルギー変換効率を向上させるための物質・材料科学を推進しています。独自に発展させた動的熱計測技術を駆使してスピンカロリトロニクスの新境地を切り拓き、熱マネジメント技術に結実させることで、持続可能社会の実現に貢献することを目指しています。

研究対象・手法

本グループでは、磁性薄膜から磁気抵抗素子・永久磁石、そして独自に設計した磁性複合材料まで幅広く研究対象に含めており、これらの系に特有の熱変換・熱制御・熱移送原理や機能を開拓しています。これにより、これまでは磁気メモリ・センサや情報伝送・演算に限定されていたスピントロニクスの応用候補をエネルギーデバイス技術にまで拡張します。研究に用いる実験手法は、スパッタリング法を中心とした薄膜作製技術から放電プラズマ焼結法等のバルク材料合成技術、磁気/電気/熱輸送現象測定、ポンプ-プローブ式光計測などを含みます。

現在は主に、JST ERATOプロジェクトに従事しています。

　ERATO内田磁性熱動体プロジェクト

　JSTウェブサイトの研究概要




当グループの研究にご興味のある方、当グループで研究をしたい方は、お気軽に内田までご連絡下さい（問い合わせ先はGroup Memberページ参照）。スピンカロリトロニクス研究にこだわらず、全く新しい研究を始めたい方も大歓迎です。

研究キーワード：
磁気熱電効果、スピンゼーベック／ペルチェ効果、スピン流、磁性材料、スピントロニクスデバイス、動的熱イメージング、熱マネジメント、エネルギーハーベスティング、熱スイッチング、磁気熱量効果、磁気冷凍

進行中の外部機関との共同研究：
東北大学 金属材料研究所　磁性材料学研究部門（関研究室）
東北大学 材料科学高等研究所　バウアー研究室
東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻　塩見研究室
東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻　関研究室
大阪大学 産業科学研究所　千葉研究室
名古屋大学大学院 工学研究科 機械システム工学専攻　長野研究室
岡山大学大学院 自然科学研究科　狩野旬准教授、寺西貴志准教授
東京都立大学大学院 理学研究科　水口研究室
産業技術総合研究所 物質計測標準研究部門　材料構造・物性研究グループ
オハイオ州立大学（米国）
カイザースラウテルン工科大学（ドイツ）
中国科学技術大学（中国）
日本電気株式会社、他2社

加えて、NIMS内の多くのグループと共同研究を行っています。

現在の研究テーマの例：

【物質・材料科学】
・ハイスループット焼結法に基づく磁気熱電材料・熱スピン変換材料の開発
・熱スイッチング用ナノコンポジット材料の開発
・熱電永久磁石の高性能化に向けた新物質探索・微細組織制御

【物性物理】
・低次元ナノ材料におけるスピンカロリトロニクスの開拓
・マグノンエンジニアリングやスピン流による熱伝導制御
・フェロン輸送現象の観測と解明
・マルチフェロイック物質における磁気熱電効果・熱スピン効果の開拓
・ひずみによる熱電変換の能動的制御

【計測技術開発】
・量子マテリアル計測用ロックインサーモグラフィの開発
・ナノスケール動的熱イメージング計測法の開発
・強磁場中熱電・熱輸送物性計測装置の開発

【熱デバイス工学】
・高出力横型熱電変換モジュールの要素技術開発
・磁気冷凍材料の相界面熱輸送エンジニアリング

他にも、メンバーのアイデアにより随時新しい研究テーマが生まれています。

Examples of experimental tools and results.



Direct observation of the anisotropic magneto-Peltier effect (Nature 2018).




Schematic of transverse thermoelectric generation.

Research purpose

This group conducts research on "spin caloritronics" based on the fusion of spintronics and thermoelectric/thermal transport properties. We are developing new thermal energy conversion, control, and transfer phenomena and functionalities driven by the concerted effects of electron transport, magnetism (spin), phonon, ferroelectricity, etc., and materials science to improve their energy conversion efficiency by introducing technologies and knowledge from interdisciplinary fields beyond the conventional framework of spin caloritronics. We aim to contribute to the realization of a sustainable society by breaking new ground in spin caloritronics using our uniquely developed active thermal measurement techniques and by bringing it to fruition in thermal management technologies.

Research target and method

Our research targets range from magnetic thin films to magnetoresistive devices, permanent magnets, and originally designed magnetic hybrid materials. By pioneering thermal energy conversion, control, and transfer phenomena and functionalities unique to these systems, we will extend the potential applications of spintronics, previously limited to magnetic memories/sensors and information transmission/computation, to energy device technologies. Main experimental techniques used in our research are thin-film fabrication techniques including the sputtering method, bulk material synthesis techniques including the spark plasma sintering method, measurements of magnetic/electric/thermal transport phenomena, and pump-and-probe optical measurements.

Keywords:
Magneto-thermoelectric effect, Spin Seebeck/Peltier effect, Spin current, Magnetic materials, Spintronic devices, Active thermal imaging, Thermal management, Energy harvesting, Thermal switching, Magnetocaloric effect, Magnetic refrigeration

Collaborators:
Seki Lab. and Bauer Lab. (Tohoku University)
Seki Lab. and Shiomi Lab. (The University of Tokyo)
Chiba Lab. (Osaka University)
Nagano Lab. (Nagoya University)
Prof. J. Kano, Prof. T. Teranishi (Okayama University)
Mizuguchi Lab. (Tokyo Metropolitan University)
Yagi Group (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)
The Ohio State University, USA
University of Kaiserslautern, Germany
University of Science and Technology of China, China
NEC Corporation and two companies
Many research groups in NIMS