東大、反強磁性体で自発的な巨大熱起電力効果が現れることを発見

東京大学(東大)は7月25日、反強磁性体マンガン合金(Mn₃Sn)においてこれまでにない自発的な巨大熱起電力効果が現れることを見いだしたと発表した。

同成果は、東京大学物性研究所 冨田崇弘特任研究員、大学院生のムハンマド・イクラス氏、中辻知教授、理化学研究所創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームらの研究グループによるもので、7月25日付の科学誌「Nature Physics」オンライン版に掲載された。

金属や半導体の両端に温度差を与えると、熱の流れによってキャリア移動が起こり両端に電圧が発生する「ゼーベック効果」と呼ばれる現象が古くから知られている。同効果では、温度差に比例した起電力が得られるが、このような性質を持つ物質を並列につなげてモジュール化(サーモパイル化)することでより高出力の起電力を得ることができる。

この原理を利用した発電装置は、小型化が可能なうえ、可動部分もなく発電装置の長寿命化が期待できるが、現在使われている非磁性体の半導体を利用した発電素子は、温度差の方向と起電力を取り出す方向が同じであるため、立体的な構造を作ることが余儀なくされ、製造工程が複雑になり大型化や高集積化に伴う製造コストに課題があった。

一方、金属磁性体の場合は、温度差以外に磁化にも比例した熱起電力が現れ、熱起電力の方向は磁化と温度差の両方向に互いに垂直に発生する。この現象はネルンスト効果と呼ばれているが、従来この効果では、磁化の強い強磁性体でしか実用的な熱起電力を示さないと考えられていた。

今回、同研究グループは、反強磁性体マンガン合金 Mn₃Snにおいて、これまでにない自発的な巨大熱起電力効果が現れることを発見。1/100以下の磁化を持つ反強磁性体で、強磁性体と同程度以上の自発的な巨大熱起電力効果がみられた。

今まで強磁性体を熱電材料として利用した場合は、漏れ磁場の影響があり高集積化が不可能と考えられてきたが、反強磁性体の場合はスピンが互いに反対向きに揃うため、全体のスピンが作り出す漏れ磁場はほとんどない。このため、今まで不可能だった高集積化による高出力の実現が可能となる。また、磁性体を使用した場合の熱電素子は、温度差と磁化と起電力が互いにすべて垂直方向を取るため、熱起電力を発生させる素子構造自体を単純化することができる。

マンガン合金が2元系の廉価で毒性のない元素のみで構成されていること、容易に結晶育成できることなどからも、実用材料としての好条件が揃っているといえる。今後同研究グループは、Mn₃Snだけでなく、Mn₃ZのZサイトの置換による最適化により、高い熱起電力を示す物質の探索や、同時に対をなす熱起電力を示す反強磁性体素子の探索も進めていきたい考えだ。