抖阴旅行射

【本学研究者情报】

〇东北大学金属材料研究所　准教授　藤原宏平
东北大学金属材料研究所　教授　塚﨑敦

【発表のポイント】

• トポロジカル物质^（注１）の一种であるトポロジカル磁性体を代表するコバルト系强磁性化合物の薄膜を用いて元素置换により电子状态を制御することで、磁気热电効果（异常ネルンスト効果^（注２））による热起电力の符号を制御することに初めて成功しました。
• 符号の异なる薄膜を组み合わせたサーモパイル素子を作製し、异常ネルンスト効果を用いる热电変换素子の起电力生成を达成。ゼロ磁场下での热电変换动作を実証しました。
• 电子状态に着目した材料开発により、磁気热电変换素子の高性能化を通して创エネ化や省エネ化の取り组みに贡献するものと期待されます。

【概要】

電子産業におけるエネルギーの効率的な利用への要請が強まる中、熱を電気に変換する熱電変換材料に注目が集まっています。トポロジカル物质科学の分野では、巨大な磁気熱電効果を示す磁性体が報告されており、磁気熱電変換素子や熱流センサへの応用が期待されています。異常ネルンスト効果から大きな熱起電力^（注３）を取り出すために、热起电力の符号の异なる层を接続して电圧を増强する素子、サーモパイル^（注４）が提案されています。これまでの报告は、热起电力の符号の异なる二种の物质を组み合わせたもので、作製には异なる构成原料や合成プロセスを用いる必要があります。同一の物质系で磁気热电変换特性（异常ネルンスト係数）の符号そのものを简便に制御できれば、素子化への道が大きく拓けることが期待されますが、そのような例はありませんでした。

东北大学金属材料研究所の野口骏大学院生（研究当时）、藤原宏平准教授と塚﨑敦教授、富山県立大学の柳有起准教授、物质?材料研究机构（狈滨惭厂）の平井孝昌研究员らの研究グループは、代表的な强磁性^（注５）トポロジカル半金属^（注６）であるコバルトスズ硫黄化合物の电子状态に着目し、元素置换した薄膜试料を作製することで、异常ネルンスト係数の符号を正?负の双方に制御できることを明らかにしました。さらに、元素置换で作り分けた二つの强磁性层を接続してサーモパイル素子を作製し、ゼロ磁场下での热电変换动作を実証しました。

この成果はトポロジカル物质に基づく磁気熱電変換材料の開発やエネルギーハーベストの実現に向けた関連技術の高度化に寄与すると期待されます。本研究成果は2024年1月8日10:00（英国時間）に、科学誌Nature Physicsオンライン版に掲載されました。

【用语解説】

注1. トポロジカル物质　無数の原子?イオンから成る固体では、電子の存在が許されるエネルギー状態がバンド（帯）として出現し、バンド構造の性質が諸物性を決定する。従来の金属や半導体とは異なるバンド構造の幾何学的性質をもつ物質群をトポロジカル物质と呼ぶ。トポロジカル物质に関する科学研究は、近年急速な発展を遂げている。

注2. 異常ネルンスト効果　導電体に温度勾配とそれと直交する方向に磁場を印加したときに、それらの両方に直交する方向に電位勾配（熱起電力^（注３））が生じる现象をネルンスト効果と呼ぶ。磁场を印加する対象が磁性体の场合、异常ネルンスト効果と呼び、温度勾配、磁化、电位勾配がそれぞれ直交関係にある。

注3. 熱起電力　物質に温度差や温度勾配を加えたときに、試料に生じる電位差。

注4. サーモパイル　複数の熱電変換層を直列あるいは並列に接続した構造の素子。温度差と同じ方向に起電力が生じるゼーベック効果に基づくサーモパイルが一般的に立体的な素子構造であるのに対し、異常ネルンスト効果に基づくサーモパイルは平面的な構造で作製することができる。

注5. 強磁性　電子がもつミクロな磁石の性質であるスピンが同じ方向に並ぶことで、マクロな磁化を生み出している磁気的状態。鉄、ニッケル、コバルトが室温で強磁性を示す代表的な物質。本研究で用いたCo₃Sn₂S₂は、約180ケルビン（約?93 ℃）以下で強磁性を示す。

注6.トポロジカル半金属　结晶の特别な対称性やスピン轨道相互作用によって保护された线形のエネルギー分散（电子のエネルギーと波数の関係）が试料全体に叁次元的に広がった物质。近年の研究を通して、颁辞₃Sn₂S₂が强磁性のトポロジカル半金属であることが示された。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学金属材料研究所　低温物理学研究部门
准教授　藤原　宏平
TEL: 022-215-2088
E-mail: kohei.fujiwara*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

教授　塚﨑　敦
TEL: 022-215-2085
E-mail: tsukazaki*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学金属材料研究所　情报企画室広报班
TEL: 022-215-2144, FAX: 022-215-2482
E-mail: pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）