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光を当てるだけで電流に伴って生じる熱流を自在に制御することに成功

~磁気の源“スピン”を利用した新しい熱エネルギー制御機能~

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人 科学技術振興機構 (JST)

NIMSは、磁性体に光を照射することにより、電流に付随して生じる熱流の方向や分布を自在に制御できることを初めて実証しました。本研究は、熱エネルギーの能動的な制御を可能にする磁性材料の新しいポテンシャルを明らかにしたものであり、ナノスケール電子デバイスにおいて重要となっている熱マネジメント技術への将来展開や、磁気・熱・光の相互作用に関する基礎物理・物質科学のさらなる発展が期待されます。

概要

  1.  NIMSは、磁性体に光を照射することにより、電流に付随して生じる熱流の方向や分布を自在に制御できることを初めて実証しました。本研究は、熱エネルギーの能動的な制御を可能にする磁性材料の新しいポテンシャルを明らかにしたものであり、ナノスケール電子デバイスにおいて重要となっている熱マネジメント技術への将来展開や、磁気・熱・光の相互作用に関する基礎物理・物質科学のさらなる発展が期待されます。
  2. 金属や半導体における電流と熱流の変換現象は熱電効果と呼ばれ、代表的な例として電流に伴って熱流が生成されるペルチェ効果が古くから知られています。ペルチェ効果によって生成される熱流の方向は物質によって決まっていますが、磁性体においては、電流に伴う熱流の方向を磁気の源であるスピンの性質によって制御することができます。近年、スピン制御技術の向上に伴い、スピンを用いて熱エネルギーを有効利用するための新原理・機能の創出を目指す「スピンカロリトロニクス」に関する研究が世界中で急速に進展しています。
  3. そのような中、NIMSの研究チームは、これまでスピンカロリトロニクスと全く接点の無かった光磁気記録の技術に注目し、光でスピンを制御することで、新しい熱エネルギー制御機能を創出しました。今回実証した手法を用いれば、磁性体中の光が照射された部分において、光の偏光状態に依存して電流に伴う熱流の方向を局所的に変えることができるため、熱電効果によって発生する温度変化分布を自在にデザインすることが可能になります。
  4. 今回の実証実験に用いた物理現象は磁気・熱・光の相互作用に起因するものであり、従来のペルチェ効果とは異なる原理によって駆動されます。今後、光に応答する磁性体が示す熱電効果の微視的起源の解明と新材料開発を進めることで、電子デバイスの効率向上・省エネルギー化に資する熱マネジメント技術への応用を目指していきます。
  5. 本研究は、主にJST戦略的創造研究推進事業 CREST (JPMJCR17I1) の一環として、NIMS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の内田健一(別ウィンドウで開きます)グループリーダー、磁気記録材料グループの高橋有紀子(別ウィンドウで開きます)グループリーダー、若手国際研究センター (ICYS) の王建(別ウィンドウで開きます) (Jian WANG) ICYS研究員によって行われました。
  6. 本研究成果は、日本時間2020年1月7日19時 (英国時間1月7日10時) に、英国科学誌「Nature Communications」にオンライン掲載されます。

「プレスリリース中の図 : 光照射による電流-熱流変換の制御」の画像

プレスリリース中の図 : 光照射による電流-熱流変換の制御



掲載論文

題目 : Magneto-optical painting of heat current
著者 : Jian Wang, Yukiko K. Takahashi, Ken-ichi Uchida
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 2020年1月7日
DOI : 10.1038/s41467-019-13799-7(別ウィンドウで開きます)


本件に関するお問合せ先

(研究内容に関すること)
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
グループリーダー
内田 健一 (うちだ けんいち)
TEL: 029-859-2062
FAX: 029-859-2701
E-Mail: UCHIDA.Kenichi=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(報道・広報に関すること)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人 科学技術振興機構
総務部 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
TEL: 03-5214-8404
FAX: 03-5214-8432
E-Mail: jstkoho=jst.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(補助事業に関する問い合わせ先)
国立研究開発法人 科学技術振興機構
戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
中村 幹 (なかむら つよし)
〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
TEL: 03-3512-3531
FAX: 03-3222-2066
E-Mail: crest=jst.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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