平成３０年１１月２９日
東北大学材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）
東北大学金属材料研究所
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
東京大学大学院工学系研究科
東京工業大学
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）、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）と横井 直人 研究員、東京工業大学 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）らは、第二種超伝導体注１）の渦糸液体状態注２）を利用した新たな環境発電機能を実証しました。
本成果は２０１８年１１月２２日（英国時間）「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」オンライン版で公開されました。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（ＥＲＡＴＯ） 齊藤スピン量子整流プロジェクトの一環で行われました。
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す。例えば、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、マイクロ波を電流へと変換するレクテナなどがあります。このような揺らぐエネルギーから電力を得るためには、一般に整流効果注３）が必要になります。
整流効果を持つ代表的な素子は電子回路などに使われるダイオードです。ダイオードはｎ型半導体とｐ型半導体を結合させて作ります。ｎ型半導体とｐ型半導体の界面では、原子スケールの長さで電気的な性質が大きく変わるため、非常に大きな電気的なバリアが形成されます。このため一方向にのみ電流が流れ、整流効果を発現することになります。
このような整流効果を生み出す仕組みは、環境発電をはじめとして現代の電子機器の核となる要素技術です。ダイオードのような人工的な構造物や、対称性を下げた材料を利用して、新たな整流素子を生み出そうとする研究が活発に行われています。本研究では第二種超伝導体に特有な「渦糸」の液体状態を利用して、全く新しい整流素子を実証しました。
本研究では、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用意しました（図１）。驚くべきことに、試料の温度を一定に保ちながらこの薄膜試料の面内方向に磁場を印加すると、ある特定の磁場値において、外部からの入力が全くないにもかかわらず、ＭｏＧｅの面内方向に直流電圧が発生することが明らかとなりました（図２）。この直流電圧は、電磁ノイズのある測定環境では一日中安定して観測され続けました。
直流電圧が生じる温度と磁場の条件を詳細に調べると、ＭｏＧｅがいわゆる渦糸液体相にあるときに電圧が生じていることがわかりました（図３）。渦糸とは第二種超伝導体特有の「欠陥」であり、超伝導体の内部に侵入する磁束線のことを指します。渦糸液体相とは、この渦糸が超伝導体内部で自由に運動できる状態になっている相です。渦糸の特徴は、試料の表面でのみ超伝導体内部へ入ったり出たりすることができ、一度試料内部に導入されると非常に安定に存在します。超伝導体が単独で熱平衡状態にあるときは、この表面から外部へ出たり入ったりする渦糸は、試料の全ての表面で一様であり、渦糸の運動に特別な向きは生じません。
本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ます。Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２が付いている表面と付いていない表面とでは渦糸が超伝導体内部へ入り込むために必要になるエネルギーが異なり、それぞれの表面近くでの渦糸の量にアンバランスが生じます。ＭｏＧｅ薄膜の面内方向に電流を流したとき、薄膜の面直方向に駆動される渦糸の数が電流の正と負で異なります。この渦糸の流れによって、面内方向に電圧が生じ、超伝導の電気抵抗として観測されます。従って、ダイオードと同じように、電流の向きによって電気抵抗が異なり、すなわち整流効果を発揮させると考えられます。測定された直流電圧は、測定器内部にある電磁ノイズが、渦糸の量のアンバランスによって整流された結果であると解釈できます。
本研究は超伝導体渦糸を利用した新たな整流機能を実証しました。低温動作ながらも非常に感度の高い整流素子であり、ノイズ評価や微弱信号の検出に利用できる可能性があります。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、新たな物質機能開拓の端緒となると期待されます。
実験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をスパッタリング成膜している。ＭｏＧｅ膜上に、電気測定（電流（Ｉ）、電圧（Ｖ））の電極を作製した。磁場（Ｂ）はＭｏＧｅ膜の面内方向に印加している。
ＭｏＧｅ超伝導薄膜に生じる電圧（Ｖｄｃ）の磁場依存性。温度（Ｔ）を一定にした状態で、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非常に鋭い電圧ピークが観測された。転移温度（Ｔｃ）を超えると観測されなくなったことから、この電圧は、ＭｏＧｅの超伝導性による電圧と考えられる。
ＭｏＧｅに電圧が生じた温度（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。電圧が生じた条件は赤い正方形で示されており、全て黄色い帯の領域内で生じていることがわかる。この黄色い帯の部分は、渦糸液体相に対応する。
| タイトル | “Vortex rectenna powered by environmental fluctuations” |
|---|---|
| 著者 | J. Lustikova, Y. Shiomi, N.Yokoi, N. Kabeya, N.Kimura, K. Ienaga, S. Kaneko, S. Okuma, S. Takahashi and Eiji Saitoh |
| ＤＯＩ | 10.1038/s41467-018-07352-1 |
齊藤 英治（サイトウ エイジ）
ＥＲＡＴＯ 齊藤スピン量子整流プロジェクト 研究総括
東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 教授
東北大学 材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）／金属材料研究所
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２－１－１
Tel：022-217-6238 Fax：022-217-6395
E-mail：
古川 雅士（フルカワ マサシ）
科学技術振興機構（ＪＳＴ） 研究プロジェクト推進部
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
Tel：03-3512-3528 Fax：03-3222-2068
E-mail：
東北大学 材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ） 広報・アウトリーチオフィス
Tel：022-217-6146
E-mail：
東北大学 金属材料研究所 情報企画室 広報班
Tel：022-215-2144
E-mail：
科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
Tel：03-5841-1790
E-mail：
東京工業大学 広報・社会連携本部 広報・地域連携部門
Tel：03-5734-2975
E-mail：