Research

電気エネルギーを取り出すと聞くとタービンやの大型の発電設備が必要と思うかもしれません。しかし今回、液体金属を細い管に流す、それだけで電気エネルギーが取り出せるという現象を発見しました。

近年、ナノテクノロジーの目覚ましい進展に伴い、日常で私たちが利用している電流・電気の流れだけでなく、ミクロの世界における電子の自転運動を制御することによって、「スピン流^注1）」と呼ばれる磁気の流れが電流と同じような働きを担う可能性が示唆されてきました。電流を流す際にはジュール熱が発生しますが、スピン流は発生する熱量が電流と比較し極めて小さいことから、熱の制御が重要なナノ電子デバイスへの利用が期待されています。今回、液体金属中で、金属の流れによって生じる渦運動と、その金属原子中の電子の自転運動（スピン）が相互作用することを理論計算により発見しました。さらに実際に細管に液体金属を流すことで、微弱ではありますが電気信号が得られることを明らかにし、渦運動によって、電子が発電機のタービンのように回転して発電する方法を理論と実験の両面で確立しました。

水銀やガリウム合金^注２）のような液体金属を細管に流すと、管の内壁と液体金属の間の摩擦によって、液体金属中に渦運動が発生します（図１）。この渦の強さは、管の内壁で最大であり、内壁から管の中心に向かって弱まります（図２）。

このような渦運動の分布によって、液体金属中の電子の自転運動が影響を受け、渦運動の強いところから弱いところに向かって、スピン流が流れ、また、管の内壁から中心に向かって生成されたスピン流は、さらに液体金属中で散乱され管に沿った方向に電圧を発生することを理論計算によって明らかにしました（図３）。

この理論予想に基づいた実証実験を行ったところ、直径数百ミクロンの細管に液体金属を流す際に生じる液体金属の渦運動を用いて、その液体金属中にスピン流を生み出し、その結果生じる１００ナノボルト（１０００万分の１ボルト ）の電気信号を取り出すことに世界で初めて成功しました（図４）。

今回の実験で、電子のスピンが液体金属の渦運動と量子力学^注3）的に相互作用することが世界で初めて証明されました。従来、電子スピンの制御には固体物質が用いられてきましたが、液体金属も利用できることが明らかとなり、液体金属を利用したスピン科学の研究の道を開いたと言えます。
また、従来の流体発電では、水流でタービンを回転させる水力発電や、磁石を使った磁気流体発電^注4）のように、タービンや磁石といった外部装置が不可欠です。しかし、今回発見した手法では、電子の自転運動と流体渦運動との相互作用を利用するため外部装置が不要となり、原理的には超小型化が可能となります。本実験で得られた電気信号は１００ナノボルトと微弱ですが、今後出力を向上していくことで、微弱な電力で駆動できるナノロボットなどへの応用が期待できます。