2020年 | プレスリリース?研究成果
室温?ゼロ磁场で世界最高の磁気热电効果を実现する鉄系材料
【発表のポイント】
- 鉄にアルミやガリウムを添加した材料で鉄単体より20倍の磁気热电効果の増大を発见するとともに、薄膜でも性能を维持し、室温?ゼロ磁场で世界最高の磁気热电効果を実现しました。
- 高速自动计算（ハイスループット计算）による材料探索や、ノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルな电子构造の解明など、本研究の発见には数値计算が大きく贡献しました。
- 同一面积?温度差当たりの発电容量は従来型热电技术を凌驾するほど大きく、薄膜型热电デバイスへの発展が期待されます。
【発表概要】
東京大学物性研究所の酒井明人助教、Taishi Chen特任研究員、肥後友也特任助教、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻?物性研究所およびトランススケール量子科学国際連携研究機構の中辻知教授らの研究グループは、金沢大学の見波将博士後期課程大学院生（研究当時）、石井史之准教授（理化学研究所客員研究員）、东北大学大学院理学研究科物理学専攻の是常隆准教授、東京大学大学院工学系研究科の有田亮太郎教授（理化学研究所チームリーダー）、物性研究所?トランススケール量子科学国際連携研究機構の三輪真嗣准教授らの研究グループと協力して、鉄を含む汎用材料で鉄単体より20倍大きな磁気熱電効果（＝異常ネルンスト効果、注１）が得られることを発見しました。
磁気热电効果は従来の热电変换と异なり、温度差と垂直方向に発电し、大面积化やフレキシブル化が容易で、高効率で発电が行えるという利点を持ちます。本研究により、鉄にアルミやガリウムといった元素を添加することで、鉄単体の场合より20倍大きな磁気热电効果が得られることを発见しました。特に鉄やアルミは地球上の资源として豊富で、廉価な材料であり、このような汎用材料での巨大な磁気热电効果の発见はその実用化に向けて大きなブレイクスルーとなります。また、同一面积?温度差当たりの発电量は従来技术を凌驾しており、薄膜型デバイスへの発展が期待されます。
本研究开発における材料探索には、まず、东北大学を中心として第一原理计算（注２）を用いた磁気热电効果を自动的に计算するハイスループット计算手法を开発し、磁気热电効果の理论値をデータベース化しました。その中から、安価かつ工业的にも利用しやすい鉄系材料に着目して材料の作製と実験を行いました。その结果、本材料の発见につながりました。また、この材料の性能理解のため、金沢大学および理化学研究所で电子状态の详细な解析が行われました。その结果、ノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルなバンド构造（注３）に由来していることが明らかになり、今后の材料开発の指针が明らかとなりました。
本成果により磁気热电効果を利用した热电変换デバイスの开発が加速し、滨辞罢机器（注４）の自立电源などに利用されることが期待されます。
本成果は狈补迟耻谤别オンライン版（4月27日）に掲载されました。
図 今回开発に成功した磁気热电材料の外観（奥：薄膜材料、手前：バルク材料）
【用语解説】
（注１）従来型热电技术（ゼーベック効果）と磁気热电効果（异常ネルンスト効果）
物质に温度差を加えると、电流の运び役となる电子（キャリア）が温度差に沿って移动するため、温度差と同じ方向に起电力が生じます（ゼーベック効果）。一方、磁性体では磁化の存在のためキャリアの移动が曲げられ、磁化と热流に垂直方向にも起电力を示します（异常ネルンスト効果）
（注２）第一原理计算
第一原理计算は実験で得られた値を用いず、结晶构造のみから量子力学に基づいて物质の电子状态や物性を计算する手法です。物质の本质的な振る舞いを予言、解明するのに大変有効です。
（注３）トポロジカルなバンド构造、ノーダルウェブ
电子の持つ波数（运动量）により电子の状态を表したものをバンド构造といいます。トポロジカルなバンド构造とは２つのバンドが（偶然ではなく）何らかの対称性の存在により交差しているものを言います。そのような场合、対称性を破ることでしかバンド交差をほどくことができないため、「トポロジカルに守られている」とも言われます。点で接するものに、ワイル半金属やディラック半金属、线で交差するものにノーダルライン半金属などがあります。「ノーダルウェブ」はノーダルラインが复数交わり、かつ平坦な形状をしている场合のことを指します。
（注４）滨辞罢机器
IoT（Internet of Things、モノのインターネット）を通じてやり取りをするセンサーやカメラなどの情報取得機器の総称です。
问い合わせ先
（研究内容に関すること）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授 是常 隆（これつね たかし）
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（报道に関すること）
东北大学大学院理学研究科広报?アウトリーチ支援室
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