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物性・原理

電流を曲げるだけで熱制御可能な「異方性磁気ペルチェ効果」を観測 ~単一の磁性体のみで加熱・冷却できる新機能を実証~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS),東北大学,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年5月22日,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 内田 健一 グループリーダーらと,東北大学 材料科学高等研究所・金属材料研究所 齊藤 英治 教授(現 東京大学 教授)らの研究グループが,磁性体中で電流を曲げるだけで加熱や冷却ができる熱電変換現象「異方性磁気ペルチェ効果」を観測することに成功したと発表した.本研究により,接合の無い単一の物質において,その磁気的な性質のみによって熱制御できる新しい機能が実証された.本研究は,主にJST 戦略的創造研究推進事業 CREST,独立行政法人 学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究の一環として行われ,本成果は,英国科学誌Natureにオンライン掲載された(注).

 金属や半導体における電流と熱流の相互作用は熱電効果と呼ばれ,温度差から電圧を作り出すゼーベック効果や,電流で加熱・冷却するペルチェ効果がある.熱電効果は,排熱を利用した熱電発電への応用が期待され,半導体レーザの冷却などに用いられる.ペルチェ効果の性能は,熱流と電流の比のペルチェ係数で表される.ペルチェ効果を熱電冷却(または加熱)に応用するには,ペルチェ係数の異なる2つの導体の接合が必要とされてきた.これに対し,本研究グループは,接合のない単一材料でのペルチェ冷却に挑戦した.

 この結果,ペルチェ係数が強磁性体を流れる電流と強磁性体の磁化の方向のなす角度に依存する,異方性磁気ペルチェ効果により,接合のない単一材料でのペルチェ冷却が実現できることが実証された.磁性体に電流を流した際に生じる温度変化の測定には,ロックインサーモグラフィ法を用いた.試料に流す電流を周期的に変化させながら,赤外線カメラで表面の温度分布を測定し,フーリエ解析によって電流と同じ周波数で時間変化する温度変化だけを選択的に抽出して可視化する.これにより高感度な熱電効果の測定を実現し,周波数を上げて熱拡散による影響を抑制することにより,発熱源・吸熱源の位置を特定することができる.

 実験に用いる強磁性体には,ニッケル(Ni)を用い,"コ"の字型に加工した.材質は一様で,試料内に接合などの不連続は存在しない.この試料を"コ"の字の横方向に一様に磁化して電流を流すと,縦の部分では電流と磁化が直交する.実験の結果,試料の角(かど)付近のみに温度変化が観測され,この温度変化は電流に比例して増大するため,熱電効果に由来するものと確認できた.また,Niが磁化していない時には温度変化は生じない.さらに,系統的な実験と数値計算により,観測された温度変化が異方性磁気ペルチェ効果に由来することを確かめた.

 異方性磁気ペルチェ効果を用いれば,電流の経路を曲げたり,非一様な磁化分布を作ったりするだけで,物質の接合なしに熱電効果による温度制御を実現できる.今後,大きな異方性磁気ペルチェ効果を示す磁性材料を探索・開発し,サーマルマネジメント技術への応用を目指すとしている.

(注)Ken-ichi Uchida, Shunsuke Daimon, Ryo Iguchi, and Eiji Saitoh, "Observation of anisotropic magneto-Peltier effect in nickel", Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0143-x; Published: 21 May 2018