東大と理研など、トポロジカル磁気構造体をもつ化合物MnGeで大きな熱電効果を発見

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MnGeにおけるトポロジカル磁気構造体(ヘッジホッグ・反ヘッジホッグ)とそれらが電子に与える仮想磁場の分布(磁気モノポール・反モノポール)

東京大学、理化学研究所、東北大学による研究グループは2018年1月29日、トポロジカル磁気構造体をもつ化合物MnGe(Mnはマンガン、Geはゲルマニウム)において、大きな熱電効果を発見したと発表した。またこの現象の機構が、「磁気モノポール」が生み出す巨大な仮想磁場のゆらぎと関係することを実証した。

物質の両端に温度差をつけると電圧が発生する現象を熱電効果(あるいはゼーベック効果)といい、熱エネルギーを電力に変換する環境発電技術としての利用が期待されている。熱電効果の高効率化のために電子の性質を制御する研究が行われており、その中で注目されているのが、トポロジカル磁気構造体だ。トポロジカル磁気構造体と電子が結合すると、固体中に仮想的な磁場が発生し、電子の振る舞いに影響を与えて、従来の電磁気学では説明できない現象が起きることがわかっている。しかしこれを高効率な熱電変換へ応用した例はまだ報告されていない。

今回、同研究グループでは、トポロジカル磁気構造体をもつ化合物MnGeにおいて、磁場をかけることで巨大化する熱電効果を発見。さらにこの機構に、トポロジカル磁気構造体である磁気モノポール(磁場の湧き出しとなる素粒子)の対消滅が深く関係している可能性を明らかにした。

MnGeに存在すると考えられている磁気モノポールと反モノポールは、固体中に40テスラという大きな仮想磁場を生み出し、また仮想磁場の大きな揺らぎによって、電子の運動が大きく影響を受けることが知られている。また外部から磁場をかけることにより、磁気モノポールと反モノポールの対消滅が発生し、そのまわりで磁気揺らぎの効果が大きくなることも期待されている。一般に、電子のエントロピーが小さくなる低温で高磁場の場合熱電効果は小さくなる。しかし、MnGeは低温かつ高磁場にも関わらず通常の金属化合物より1桁大きな熱電効果を示すことがわかった。

この結果について、同研究グループではさらに検証実験を行った。大きな熱電効果が発現する機構の1つに、電子が固体中を流れるときに受ける特殊な散乱がある。MnGeにおいて、この散乱機構と密接に関係している「磁気抵抗」を測定すると大きな異常が見られ、これは磁気モノポールの対消滅に伴う仮想磁場の揺らぎで説明できることがわかっている。今回観測された大きな熱電効果は、この磁気抵抗の異常分の大きさと強い相関関係があり、磁気モノポールの対消滅に伴う巨大な磁気揺らぎと密接な関連をもつことが示された。

同研究グループでは、今回の発見によって、磁気構造のトポロジーを用いた高効率の熱電変換技術という新しい原理を提唱できたとし、今後の高効率化に向けた新たな物質開拓の礎となることが期待されるとしている。

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