トポロジカル磁性体の磁気熱電効果を用いて起電力を生成――創エネ化、省エネ化の取り組みに寄与東北大学ら

東北大学は2024年1月9日、同大学金属材料研究所、富山県立大学、物質・材料研究機構（NIMS）の共同研究グループが、トポロジカル磁性体の磁気熱電効果（異常ネルンスト効果）を用いて起電力を生成したと発表した。創エネ化、省エネ化の取り組みに寄与することが期待される。

近年、異常ネルンスト効果（磁性体試料に温度勾配を設けることで、磁性体中の磁化と熱流の双方に直交する方向に熱起電力が生じる効果）が、新たな熱電変換素子を構成する原理として注目されている。

冒頭の画像（a）における黄色と青色の状態のように、異常ネルンスト効果による熱起電力の符号が異なる2つの層を基板面内で交互に接続することで、接続数に比例する形で出力電圧を増強できる。

異常ネルンスト係数が異なる物質を接続して、面内のサーモパイルを作製した例はこれまでにも存在する。しかし、異なる構成原料や合成プロセスを用いる必要があり、同一の物質系で異常ネルンスト係数の符号を制御した例はこれまでに報告されていなかった。

同研究グループは今回、スパッタリング法によりNi置換したCo_3−xNi_xSn₂S₂とIn置換したCo₃In_ySn_2−yS₂薄膜を作製した。これにより、異常ネルンスト効果の組成依存性を系統的に評価している。

この結果、温度100K（約−173℃）下で、元素置換していないCo_3−xNi_xSn₂S₂薄膜の上向き磁化状態における異常ネルンスト係数の符号が正だったのに対し（下図の中央）、NiおよびInを微量置換した薄膜においては符号が負に反転することが判明した。

元素置換による異常ネルンスト効果の符号反転

これらの薄膜試料は、強い垂直磁気異方性（薄膜の面直方向に磁化が配向しやすい性質）の強磁性を示しており、着磁処理（磁性体に外部から磁場を印加して、磁化の配向を揃える処理）を加えることで、ゼロ磁場下で磁化の配向を揃えて保つことができる。

これらの性質を組み合わせることで、ゼロ磁場下において、正負の異常ネルンスト係数を有する2つの強磁性層の接続数に比例して熱起電力が増加することを実証した。

サーモパイル構造における
(a) 熱起電力の磁場依存性と (b) ゼロ磁場下での熱起電力の接続ペア数依存性。
接続数に比例して熱起電力が増加している

今回の研究結果により、磁性体、特にトポロジカル物質の異常ネルンスト効果を用いた素子化研究に向けた取り組みが加速するものとみられる。また、元素置換による特性制御は、共通母物質を用いることによる省資源化や製造プロセスの簡略化にも寄与することが期待される。

同研究グループは、素子応用に向けた今後の課題として、室温で強磁性を示す物質に対する今回の知見の適用を挙げている。

トポロジカル磁性体の磁気熱電効果を用いて起電力を生成――創エネ化、省エネ化の取り組みに寄与　東北大学ら