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Research

研究背景

現在のエレクトロニクスは、半導体における電流の制御技術が基礎になっています。次世代電子技術の有力候補であるスピントロニクスにおいては、電流のスピン版である「スピン流」の生成・検出・制御技術の拡充が必須であり、世界的規模で基礎・応用研究が進められています。スピントロニクス分野が誕生して以来、その本流を担ってきたのは、巨大磁気抵抗効果・トンネル磁気抵抗効果をはじめとした磁気メモリ技術に関連した研究です。それに加えて近年、スピン流を用いた新原理エネルギー変換技術が提案され、にわかに注目を集めています。その端緒となったのは、熱流によるスピン流生成現象「スピンゼーベック効果」です。スピンゼーベック効果はその名の通りスピン流版のゼーベック効果であり、この効果を用いることで熱流によるスピン流生成が可能になりました。2010年にはスピンゼーベック効果が絶縁体においても発現することが明らかになり、「絶縁体を用いた熱電変換」が初めて可能になりました。スピンゼーベック効果の発見を契機に急速に進展した熱とスピントロニクスの新しい融合研究領域は「スピンカロリトロニクス」と呼ばれており、世界中の多くの研究グループによって熱流−スピン流相関効果に関する研究が進められています。


研究目的

本グループは、広い意味でのスピンカロリトロニクス研究を担当し、磁性材料やスピントロニクス素子におけるスピン流−熱流相互変換に基づく新原理・新機能の開拓や応用展開をメインターゲットとしています。基礎研究用途の磁性薄膜材料から磁気抵抗素子・永久磁石材料等の実用に近い系まで幅広く研究対象に含め、スピントロニクス特有の熱制御機能を開拓することで、これまでは磁気メモリや情報伝送・演算に限定されていたスピントロニクスの応用の候補をエネルギーデバイス技術にまで拡張すること目指します。
研究に用いる実験手法は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、原子層堆積法などの薄膜作製技術から、磁気/電気/熱物性・輸送現象測定、動的サーモグラフィ法を用いた熱計測、マイクロ波分光法、レーザー微細加工技術などを含みます。

現在は主に、JST-CRESTプロジェクトに従事しています: 研究概要はこちら

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

進行中の共同研究:
東北大学 金属材料研究所 バウアー研究室、高梨研究室
東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻 塩見研究室
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
北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス系 安研究室
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
カイザースラウテルン工科大学(ドイツ)
日本電気株式会社
アルプスアルパイン株式会社
浜松ホトニクス株式会社

NIMS内の共同研究:
磁性・スピントロニクス材料研究拠点 磁性材料グループ、磁気記録材料グループ、スピントロニクスグループ、スピン物性グループ、磁性理論グループ、磁性材料解析グループ
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 ナノ光制御グループ



Examples of experimental tools and results.



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


Research background

Spintronics is expected to develop novel principles to drive electric and magnetic devices and to save their energy consumption. Since most of the spintronic functions are driven by a spin current, a flow of spin-angular momentum, a lot of research on spintronics has been conducted all over the world to establish versatile methods of spin-current generation, detection, and manipulation. In this stream, we discovered a new method for generating a spin current from heat; this phenomenon is called “spin Seebeck effect (SSE)”. By using the SSE, we have developed a spin-based energy conversion technology, which is conceptually different from conventional thermoelectric generation. After the discovery of the SSE, experimental and theoretical studies on thermo-spin phenomena have made rapid progress, and a new research field called “spin caloritronics” has been created.


Research target

Spin Caloritronics Group will create new science and technology for thermal energy engineering based on spintronics, which were impossible with conventional electronics alone. The spintronic thermal engineering enables unique functions, such as local temperature control of spintronic devices, unidirectional heat transport driven by spins, and versatile thermoelectric conversion, providing fundamentally new ways of thermal energy technologies. One of the methods to develop this research is the application of active thermal emission microscopy techniques, which have been used mainly in semiconductor industry, to spintronic materials and devices.

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

Collaborators:
Bauer Lab. and Takanashi Lab. (Tohoku University)
Shiomi Lab. (The University of Tokyo)
Chiba Lab. (Osaka University)
Nagano Lab. (Nagoya University)
An Lab. (Japan Advanced Institute of Science and Technology)
Prof. J. Kano, Prof. T. Teranishi (Okayama University)
University of Kaiserslautern, Germany
NEC Corporation
ALPS ALPINE Co., Ltd.
Hamamatsu Photonics K.K.

Collaborators (in NIMS):
Magnetic Materials Group
Magnetic Recording Materials Group
Spintronics Group
Spin Physics Group
Spin Theory Group
Magnetic Materials Analysis Group
Photonics Nano-Engineering Group

contents

Access

〒305-0047
茨城県つくば市千現1-2-1
国立研究開発法人
物質・材料研究機構
磁性・スピントロニクス材料研究拠点
スピンエネルギーグループ

Spin Caloritronics Group
Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM)
National Institute for Materials Science (NIMS)
1-2-1 Sengen, Tsukuba, Ibaraki 305-0047, JAPAN




NIMS NOW 2018 No.4
「ゆらぐスピンの舵をとれ」



NIMS NOW 2019 No.5
「材料科学者になる !
「NIMS大学院プログラム」のすゝめ」