51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　教授　齐藤英治

【発表のポイント】

• 原子核の自転运动である「核スピン（注１）」を利用した热発电を世界で初めて実証した
• 200年もの長い間、電子技術に限られていた熱発電に原子核スピンの概念が加わり、これにより絶対零度（?273.15 ℃、注２）に迫る超低温まで応用可能な新しい熱電変換分野の扉が開かれた
• 磁気共鸣イメージング（惭搁滨）の根干要素として利用されてきた核スピンが、単なる分析のためのツールではなく、"电気や电流の生成源としての机能をもつ"という新しいパラダイムが生まれた

【概要】

東京大学大学院工学系研究科の吉川貴史 助教、東京大学大学院工学系研究科／東北大学材料科学高等研究所の齊藤英治 教授らを中心とする研究グループは、東京大学大学院総合文化研究科の塩見雄毅 准教授、東北大学材料科学高等研究所の高橋三郎 学術研究員、岩手大学理工学部物理?材料理工学科の大柳洸一 助教らと共同で、原子核の自転運動である「核スピン（注１）」を利用した新しい熱発電を実証しました。

环境の温度差が电気を作り出す现象のことを热电変换现象と呼びます。热电変换现象の歴史は古く、1821年のゼーベック効果（図１）の発见以降、200年にわたって世界中で盛んに研究が行われてきました。热电変换现象を利用すれば、排热から电気エネルギーを创出する热発电が可能であり、次世代のクリーンエネルギー技术の基盘要素として注目されています。これまで本现象はパワーデバイス、热センサー、冷却技术等へ応用されてきましたが、その発现原理は全て物质中の电子が担ってきました。しかしながら、电子に基づく热电変换は、低温域で电子の动きが冻结することによって、その効率が剧的に抑制されてしまいます（図１）。この问题ゆえに、热电変换デバイスの适用范囲は高温域（典型的には室温以上）に制限されてきました。

今回、吉川助教らは、物質中の原子核がもつ自転の性質である「核スピン」を利用した新しい熱電変換現象を実証しました。核スピンは、電子の動きが完全に凍結する絶対零度（?273.15 ℃、注２）付近の超低温域でも、電子に比べて極めて小さなエネルギーで熱揺らぎをしています（図１）。この熱揺らぎをスピントロニクス（注３）技術を利用することで電力に変換することに成功しました。この発見により、200年間、電子制御に限られていた熱電変換に原子核スピンの概念が加わり、絶対零度に迫る超低温まで応用可能な新しい熱電変換分野の扉が開かれました。

本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」に2021年７月16日（英国時間）に掲載されました。

図１　热电変换现象とその高温域?超低温域での振る舞いの模式図
最も代表的な热电変换现象であるゼーベック効果は、金属や半导体に温度差を与えると、温度の勾配に沿って电流（电圧）が発生する现象である。一方でスピンゼーベック効果は、磁石に温度勾配を付けると、磁石内部の电子スピンの揺らぎが隣り合うスピンに伝わることで、スピン流（磁気の流れ）が生じる现象である。このスピン流が生じている场所に、金属を取り付けると、金属中にスピン流が流れ込み、最终的には、逆スピンホール効果によって电圧に変换されるため、スピン流を利用した热电変换を実现する。しかしながら、絶対零度（注２）に迫る低温域では、ゼーベック効果の场合は电流を駆动するキャリアが冻结することで信号が消失し、电子スピンゼーベック効果の场合はスピン流を駆动するスピンの揺らぎが冻结することで信号が消失してしまう。一方、本研究で着目した核スピンIは、物质の原子を构成する原子核がもつスピンであり、电子系に比べて极めて低いエネルギーで揺らぐことが可能である。今回の研究により、この核スピンの热揺らぎ（エントロピー）をスピン流として取り出し、最终的には电圧へ変换する现象－核スピンゼーベック効果－が见出された。

【用语解説】

（注１）スピン（核スピン、电子スピン）
原子を构成している电子や原子核が有する自転のような性质。スピンの状态には上向きと下向きという２つの状态がある。电子スピンの向きが全て同じ方向に揃う（＝スピンが偏极する）と、物质は磁石の性质を示す。原子核のもつスピンである核スピンは、エントロピー（揺らぎ）が大きく、スピンの偏极率（偏极の度合い）が小さいため、物质の磁石としての性质には寄与しない。一方で、その低エネルギー性、长いコヒーレンス特性に基づいて、医疗现场などで使われる核磁気共鸣画像（惭搁滨）法の根干要素になっている。

（注２）絶対温度、絶対零度、摂氏
分子や原子の運動が理論上完全に凍結する温度を絶対零度（0 K、ゼロケルビン）と呼び、摂氏（セルシウス温度）に換算すると－273.15 ℃である。絶対温度T (碍)と摂氏t (℃)の関係は、T (K) = t (℃) + 273.15で与えられる。

（注３）スピントロニクス
电子の磁気的性质であるスピンを利用して动作する全く新しい电子素子（磁気メモリ、トランジスタ、ダイオードなど）を研究开発する分野のこと。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

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Tel：022-217-6146 Fax：022-217-5129
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