東京工業大学(東工大)は、第二種超伝導体の渦糸液体状態を利用した新たな環境発電機能を実証したと発表した。

同成果は、東北大学 金属材料研究所のヤナ・ルスティコバ氏(大学院博士課程・日本学術振興会特別研究員)、同 塩見雄毅 助教(現 東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 相関基礎科学系准教授)、同 横井直人 研究員、東工大 理学院物理学系の大熊哲 教授、東北大学 金属材料研究所・材料科学高等研究所の齊藤英治 教授(現 東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻教授兼任)らによるもの。詳細は、国際科学誌「Nature Communications」に掲載された。

環境発電とは、身の回りにあるさまざまな"揺らぎ"から、使える電力を取り出す技術である。例として、熱エネルギーという揺らぎを電力に変換する熱電変換素子などがある。こういった手法で電力を得るには、整流効果が必要とされる。整流効果を持つ代表的な素子として、ダイオードなどがある。

同研究は、第二種超伝導体に特有な"渦糸"の液体状態を利用して、まったく新しい整流素子を実証することを目的として進められた。実験では、モリブデンゲルマニウム(MoGe)という第二種超伝導体を、磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット(Y3Fe5O12)基板に成膜した試料を使用した。

  • 研究に使用した試料と測定セットアップの模式図

    研究に使用した試料と測定セットアップの模式図。ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)基板上にYIG単結晶を成長させた試料に、MoGeをスパッタリングで成膜し、同膜上に電極を形成した (出所:東京工業大学Webサイト)

試料の温度を一定に保ちながら薄膜試料の面内方向に地場を印加したところ、ある特定の磁場値において、外部からの入力がなくても、MoGeの面内方向に直流電圧が発生することが確認された。また、この直流電圧は、電磁ノイズのある環境では一日中安定して観測されたという。

  • MoGe超伝導薄膜に生じる電圧の磁場依存性

    MoGe超伝導薄膜に生じる電圧(Vdc)の磁場依存性。温度(T)が一定の状態でMoGeの面内方向に印加した磁場(B)を変化させると、ある磁場値において鋭い電圧ピークが観測されたことがわかった (出所:東京工業大学Webサイト)

加えて、MoGeに直流電圧が生じる温度と磁場の条件を詳細に調べたところ、MoGeが渦糸液体相にあるときに電圧が生じていることが確認できたという。

  • 直流電圧が生じた温度と磁場の組み合わせを、MoGeの超伝導相の相図と照らし合わせた結果

    直流電圧が生じた温度(T)と磁場(B)の組み合わせを、MoGeの超伝導相の相図と照らし合わせた結果。赤い正方形は電圧が生じた条件で、すべて黄色い帯の領域内(渦糸液体相)で生じていることがわかった (出所:東京工業大学Webサイト)

これらを受け研究グループでは、同研究で示された直流電圧は、磁性絶縁体であるY3Fe5O12がMoGeの片側に取り付けられていることによって生じていると解釈できると結論づけており、ダイオードと同じような整流効果を発揮することが示されたとしている。

なお、今回実証された新たな整流機能が、低温動作ながらも感度の高い整流素子であることから、研究グループでは、ノイズ評価や微弱信号の検出に利用できる可能性があるとしている。また、同様の整流機能が、渦糸の他のさまざまなトポロジカルな欠陥にも期待されるともしており、新たな物質機能開拓の端緒となるとの期待も寄せている。