フェルミ面の次元性を利用した横熱電変換を実証――ゼロ磁場かつ室温でも動作　埼玉大学ら

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埼玉大学は2024年5月27日、東京理科大学、東北大学と共同で、希土類化合物LaPt₂Bの単結晶を育成し、フェルミ面の次元性を利用した横熱電変換を実証したと発表した。

埼玉大学によると、発電所や工場で発生する排熱をエネルギーとして利用する方法として、熱を電気に変換する熱電変換技術が注目されている。同大学らは熱流に対して直交方向に電流を取り出す横熱電変換に着目。しかし、横熱電変換は並行方向に電流を取り出す従来の方法と比較して熱損失を抑えられるが、熱電性能が低いという課題があった。

今回の研究では、一次元的なフェルミ面と二次元的なフェルミ面を併せ持つ希土類化合物「LaPt₂B」に着目した。次元性の異なるフェルミ面によってゼーベック係数の符号が2つの主要な結晶軸で反転すること（軸性依存伝導極性）を熱電能測定と第一原理計算によって明らかにした。

ゼーベック係数の符号が主要な結晶軸間で異なる場合、熱流の方向を2つの主要な結晶軸から45 度程度傾けると、熱流方向と垂直に電場が生じることが理論的に提唱されている。今回、LaPt₂B単結晶の主要な結晶軸からそれぞれ45度傾けた方向に温度差を生じさせ、温度差と垂直方向に電場が生じることを実証した。

観測した横熱電能は室温で10μV/Kに達しており、現在主流の横熱電変換材料の1つである、異常ネルンスト効果を示すトポロジカル磁性体の横熱電能に匹敵する。

今回実証したフェルミ面の次元性を利用した横熱電変換は、現在主流の磁性体を用いた横熱電変換とは異なり、ゼロ磁場かつ室温で動作するのが大きな特徴だ。この性質を利用することで、効率的なエネルギー再利用につながることが期待されるという。また、今回の研究結果を受けて、今後フェルミ面の次元性に着目した横熱電変換材料の開発が期待される。

関連情報

金属の顔とも呼ばれるフェルミ面の次元性を利用した巨大な横熱電変換 ―室温・ゼロ磁場下で横熱電変換が可能で廃エネルギーの効率的な再利用に期待―(大学院理工学研究科 佐藤芳樹助教) | 埼玉大学