電流の向きを変えるだけで加熱・冷却できる「異方性磁気ペルチェ効果」の観測に成功 東北大とNIMS

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異方性磁気ペルチェ効果の観測

◇異方性磁気ペルチェ効果という新たなペルチェ効果を観測

東北大学と物質・材料研究機構(NIMS)は2018年5月22日、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」の観測に世界で初めて成功したと発表した。異方性磁気ペルチェ効果は磁性体における基本的な熱電変換現象であるにもかかわらず未観測だった。初めて観測されたことで、熱電変換の基礎・応用研究のさらなる活性化が期待できるという。

金属や半導体において、電流の電気エネルギーと熱流の熱エネルギーは相互に可逆的に変換する。この作用は熱電効果と呼ばれ、代表的な例としてペルチェ効果やゼーベック効果、トムソン効果が知られている。

単一の金属上で温度差がある2点間に電流を流すと発熱や吸熱が起こるのがトムソン効果だ。一方、異種の金属を環状に接合し、2つの接合部に温度差を与えて起電力を生じさせるのがゼーベック効果である。熱から電気を生み出すのがこの効果の特徴と言える。

温度差から電圧を作り出すゼーベック効果とは反対に、ペルチェ効果は電圧から温度差を生み出す。ペルチェ効果は金属や半導体に電流を流すとそれに沿って熱流が生じる現象で、電流から熱流への変換効率(ペルチェ係数)が異なる2種類の物質を接合すると、流す電流の方向に依存して接合界面に発熱・吸熱が起こる。

この効果は、トーマス・ゼーベックがゼーベック効果を発見した13年後である1834年に、ジャン=シャルル・ペルティエによってはじめて観察された。

ペルチェ効果では、電流の向きを逆にすると発熱と吸熱が逆になるので、電流方向を変えるだけで加熱・冷却をスイッチできる。また、可動部が無いため静音で信頼性が高い、小型化が可能、などの利点から熱制御技術として幅広い用途への応用が期待されている。身近なところでは、パソコンのCPUの冷却やアウトドア用の保冷庫に使われている。

従来のペルチェ効果とは異なる異方性磁気ペルチェ効果

一方、スピン(電子が有する自転のような性質で磁気の発生源)の性質を積極的に利用して新しい物理原理や工学応用を開拓するスピントロニクス分野では、電子のスピンの性質と電流や熱流との相互作用が基礎・応用の両面から盛んに研究されている。

磁性体では、スピンの効果によって電流や熱流の流れ方が磁化の方向に影響される。温度差から電圧を作るゼーベック効果が磁化の方向に依存することは以前から確認されていたが、逆に電流を熱に変換するペルチェ効果が磁化方向に依存して変化する現象は実験的に観測されていなかった。

異方性磁気ペルチェ効果が生じる磁性体では、磁化が電流に対して平行な場合と直交している場合とでペルチェ係数が異なる。そのため、磁性体中に非一様な磁化分布を作ると、あたかもペルチェ係数が異なる2種類の物質を接合したかのように発熱・吸熱が起こる。

従来のペルチェ効果と異方性磁気ペルチェ効果の概念図

従来のペルチェ効果(a)と異方性磁気ペルチェ効果(b)の概念図

研究グループは一般的な強磁性金属(スピンが同一の方向に揃い、外部磁場が無くても大きな磁化を持つ金属)であるニッケル(Ni)をコの字型に加工することで非一様な磁化分布を発生させた。そして「ロックインサーモグラフィ法」により、ニッケル試料に電流を流したときの温度分布を測定した。ロックインサーモグラフィ法は、試料に周期的に変化する電流を流しながら赤外線カメラを用いて表面の温度分布を測定し、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高感度にイメージングする手法だ。

その結果、電流と磁化が平行な領域と直交している領域の境界になっている、コの字型の角付近のみに温度変化が発生した。そして数値計算により、観測された温度変化が異方性磁気ペルチェ効果に由来していることを実証した。

ロックインサーモグラフィ法による異方性磁気ペルチェ効果の温度計則

ロックインサーモグラフィ法による異方性磁気ペルチェ効果の温度計則

異方性磁気ペルチェ効果を用いれば、異なる物質の接合の無い、単一の磁性体を利用した電子冷却や、磁性体の形状や磁化分布を変えることによる熱電変換特性の再構成、局所的に磁化させることで任意の場所の温度を変えることなどが可能になるという。

局所磁場印加によって誘起された異方性磁気ペルチェ効果

局所磁場印加によって誘起された異方性磁気ペルチェ効果

ニッケルにおける異方性磁気ペルチェ効果は従来のペルチェ効果の数%程度で小さいため、大きなペルチェ係数の異方性を示す磁性材料の発見が今後の課題だという。

ペルチェ効果の他にも進む熱電効果の研究

国の内外を問わず、ペルチェ効果を含む熱電効果は、研究が積極的に展開されている。中でも、スピン流を利用した新たな熱電変換現象である「スピンゼーベック効果」が近年注目を浴びている。

・スーパーコンピューターを使い、スピンゼーベック効果による熱電発電向け新材料を発見

スーパーコンピューターを使い、スピンゼーベック効果による熱電発電向け新材料を発見

・東北大など、スピン流生成に伴う発熱量を決定する理論的手法を発見

東北大など、スピン流生成に伴う発熱量を決定する理論的手法を発見

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