ポイント
- トポロジカル物質の一種であるトポロジカル磁性体を代表するコバルト系強磁性化合物の薄膜を用いて元素置換により電子状態を制御することで、磁気熱電効果（異常ネルンスト効果）による熱起電力の符号を制御することに初めて成功しました。
- 符号の異なる薄膜を組み合わせたサーモパイル素子を作製し、異常ネルンスト効果を用いる熱電変換素子の起電力生成を達成。ゼロ磁場下での熱電変換動作を実証しました。
- 電子状態に着目した材料開発により、磁気熱電変換素子の高性能化を通して創エネ化や省エネ化の取り組みに貢献するものと期待されます。
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。トポロジカル物質科学の分野では、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を取り出すために、熱起電力の符号の異なる層を接続して電圧を増強する素子、サーモパイルが提案されています。これまでの報告は、熱起電力の符号の異なる二種の物質を組み合わせたもので、作製には異なる構成原料や合成プロセスを用いる必要があります。同一の物質系で磁気熱電変換特性（異常ネルンスト係数）の符号そのものを簡便に制御できれば、素子化への道が大きく開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。
東北大学 金属材料研究所の野口 駿 大学院生（研究当時）、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、物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）の平井 孝昌 研究員らの研究グループは、代表的な強磁性トポロジカル半金属であるコバルトスズ硫黄化合物の電子状態に着目し、元素置換した薄膜試料を作製することで、異常ネルンスト係数の符号を正・負の双方に制御できることを明らかにしました。さらに、元素置換で作り分けた２つの強磁性層を接続してサーモパイル素子を作製し、ゼロ磁場下での熱電変換動作を実証しました。
この成果はトポロジカル物質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（英国時間）に、科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ」オンライン版に掲載されます。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「トポロジカル機能界面の創出」（研究代表者：塚﨑 敦、課題番号：ＪＰＭＪＣＲ１８Ｔ２）、同 戦略的創造研究推進事業ＥＲＡＴＯ「内田磁性熱動体プロジェクト」（研究代表者：内田 健一、課題番号：ＪＰＭＪＥＲ２２０１）、科学研究費補助金（課題番号：ＪＰ２２Ｈ００２８８、ＪＰ２１Ｈ０１７８９、ＪＰ２１Ｈ０４４３７、ＪＰ１９Ｈ０１８４２、ＪＰ２０Ｋ０５２９９、ＪＰ２１Ｈ０１０３１）の支援を受けました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（６５２ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Bipolarity of large anomalous Hall effect in Weyl magnet-based alloy films”
- ＤＯＩ：10.1038/s41567-023-02293-z
＜お問い合わせ先＞
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＜研究に関すること＞
藤原 宏平（フジワラ コウヘイ）
東北大学 金属材料研究所 低温物理学研究部門 准教授
Tel：022-215-2088
E-mail：kohei.fujiwara
tohoku.ac.jp塚﨑 敦（ツカザキ アツシ）
東北大学 金属材料研究所 低温物理学研究部門 教授
Tel：022-215-2085
E-mail：tsukazakitohoku.ac.jp -
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
安藤 裕輔（アンドウ ユウスケ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
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＜報道担当＞
東北大学 金属材料研究所 情報企画室 広報班
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