熱を電気に変える「ナノ界面」をマクロに三次元形成した磁性体を開発

身の回りに存在する膨大な廃熱・未利用熱を電気エネルギーとして活用する熱電変換は、エネルギー利用効率の向上やカーボンニュートラルの実現に向けた重要な技術の一つです。スピンゼーベック効果は2008年に日本で発見された物理現象であり、磁性体に温度勾配を与えることでスピン流を介した熱電変換が可能となります。しかし、従来のスピンゼーベック素子は、磁性体と金属薄膜の積層構造であるため、素子を厚くすることや多層化することによる出力電力の向上には限界がありました。

今回、研究チームは、磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット(YIG)粉末の表面を白金(Pt)で被覆し、低温・高圧で押し固めることで、YIGとPtのナノスケール界面が材料内部全体に三次元的に分布するバルク複合体を開発しました。この複合体では、従来の薄膜積層素子とは異なり、バルク内部全体に分布した界面を利用したスピンゼーベック効果による熱電変換が可能となります(図)。作製したYIG-Ptバルク複合体においてスピンゼーベック効果が発現することを実証するとともに、材料内部に分散した金属経路を利用することで厚み方向のスケールアップに有利となることを示しました。本成果は、ナノスケールの界面現象をマクロスケールのエネルギー変換へ繋げる「トランススケール」スピンゼーベック効果の概念を実証したものです。

本成果により、ナノスケール界面を材料内部全体に三次元的に形成することで、薄膜界面に限られていたスピン熱電現象をバルク材料へ拡張できることが示されました。今後、三次元界面構造の設計・制御や材料の最適化により、熱電変換性能のさらなる向上が期待されます。従来の熱電変換技術では利用できなかった絶縁体中の熱エネルギーをマクロスケールの材料で電気エネルギーに変換可能であることを実証したことで、新たな熱マネジメントデバイスの開発に繋がる可能性が生まれました。

• 本研究は、NIMS 磁性・スピントロニクス材料研究センターのSang Jun Park (サンジュン パク) 博士研究員、内田 健一 上席グループリーダー(兼 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻 教授)、東京大学 大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻の平田 圭佑 助教(研究開始当時 豊田工業大学 助教)らの研究チームによって、JST 戦略的創造研究推進事業 ERATO「内田磁性熱動体プロジェクト」(研究総括:内田健一、課題番号:JPMJER2201)の支援のもと行われました。
• 本研究成果は、2026年7月21日にNature Communications誌に掲載されます。