磁性材料の熱電変換現象を磁化の向きで操る
~「異方性磁気トムソン効果」を初めて直接観測~
国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
NIMSは、温度差を付けた導電体に電流を流すと温度差と電流に比例した吸熱・発熱が生じる現象 (トムソン効果) が、磁性体においては磁化方向に依存して異方的に変化する「異方性磁気トムソン効果」の直接観測に成功しました。
概要
- NIMSは、温度差を付けた導電体に電流を流すと温度差と電流に比例した吸熱・発熱が生じる現象 (トムソン効果) が、磁性体においては磁化方向に依存して異方的に変化する「異方性磁気トムソン効果」の直接観測に成功しました。本研究により、熱電物性とスピントロニクスの融合領域に関する基礎物理および物質科学のさらなる発展や、磁気で熱エネルギーを制御する新たな機能の発現が期待されます。
- トムソン効果は、熱電変換技術の駆動原理であるゼーベック効果やペルチェ効果と並び、金属や半導体における基本的な熱電効果の一つとして古くから知られています。ゼーベック効果やペルチェ効果に及ぼす磁気の影響は長年研究されてきましたが、トムソン効果の熱電変換能は一般的に小さく、その計測・評価手法も十分に確立されていなかったため、トムソン効果が磁場や磁性にどう影響されるかは明らかにされていませんでした。そのような状況の中、NIMSは2020年に非磁性の導電体におけるトムソン効果が磁場によって変化する現象を観測した実験を報告しました。今回はさらに精密な熱計測を行うことで、磁性体における異方性磁気トムソン効果の観測に成功しました。非磁性体における磁気トムソン効果と磁性体における異方性磁気トムソン効果は発現機構が異なり、未開拓現象の初めての直接観測例になります。
- 今回、NIMSの研究チームは、ロックインサーモグラフィ法と呼ばれる熱計測技術を用いて、強磁性合金Ni95Pt5に温度差を与えながら、電流を流した際に生じる温度分布を精密に測定し、磁化方向によりトムソン効果がどう変わるかを検証しました。その結果、Ni95Pt5合金に生じる吸熱 (もしくは発熱) 量が、温度勾配・電流と磁化が平行な場合は、それぞれ垂直な場合よりも大きいことを明らかにしました。この振る舞いは磁性体におけるゼーベック効果やペルチェ効果の測定から予想される変化と一致しました。
- 本研究により、異方性磁気トムソン効果の基本的な性質が明らかになり、その計測・評価技術が確立されました。今後、異方性磁気トムソン効果に関する物理・材料・機能探索を進めることで、熱・電気・磁気の相互作用がもたらす新しい物理現象の観測や、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展開を目指していきます。
- 本研究は 、NIMS 磁性・スピントロニクス材料研究センターのRajkumar Modak特別研究員、平井孝昌研究員、三谷誠司センター長、内田健一上席グループリーダーによって行われました。本研究は主に、JSPS科学研究費助成事業 基盤研究(B) (19H02585)、基盤研究(S) (22H04965)、JSPS外国人研究者招へい事業 (外国人特別研究員) (P21064)の一環として行われました。
- 本研究成果は、2023年11月17日にアメリカ物理学会の学術誌「Physical Review Letters」(Vol. 131, p. 206701) に掲載されました。
プレスリリース中の図: 異方性磁気トムソン効果の模式図
