スピンの集団運動で熱の流れを操る新しい手法を実証

NIMSは、東京大学、産業技術総合研究所、大阪大学、東北大学との共同研究により、磁性体中のスピンの集団運動の準粒子「マグノン」の輸送を制御する新しい手法を提案し、強磁性金属中でマグノンが従来考えられていた以上に熱伝導に大きく寄与することを実証しました。磁性体を利用した新たな熱伝導制御原理の創出や技術の開発につながることが期待されます。

熱伝導率は固体中で熱がどれだけ効率よく伝わるかを表す指標です。この熱の担い手（熱キャリア）は、金属では電子、半導体や絶縁体では格子振動の準粒子であるフォノンが主役とされています。現在の熱工学では、熱キャリアの輸送特性を解明・制御することで熱伝導率や界面の熱抵抗を制御する取り組みがあり、特にフォノンの輸送・散乱に着目した熱伝導制御はフォノンエンジニアリングと銘打たれて数十年にわたって盛んに研究されています。電子・フォノン以外の熱キャリアの寄与も存在しますが、ほとんどの物質ではその寄与は非常に小さく、観測できたとしても極低温といった極限環境に限られることから、無視されることがほとんどでした。

今回、研究チームは、コバルト鉄合金（CoFe）やニッケル鉄合金（NiFe）といった強磁性金属薄膜と絶縁体を積層させた単純な構造において、磁性体のスピンの集団運動の準粒子「マグノン」の輸送を利用・制御することで熱伝導を制御できることを明らかにしました。強磁性金属で生成されたマグノンが絶縁体内に伝搬する状況では、しないときに比べて、室温でも強磁性金属薄膜の熱伝導率が上昇し、金属／絶縁体接合の界面熱抵抗は数分の1にまで減少することが分かりました。これは、電子が支配的な熱キャリアである金属でも、マグノン輸送を適切に制御した熱伝導エンジニアリング（マグノンエンジニアリング）が可能であることを示す結果であり、室温下や金属中ではマグノンの熱伝導への寄与は小さいという固定観念を塗り替えるものです。

今後は、本成果をもとに、さらなる物理的起源の解明や、マグノン輸送を外場で制御した熱伝導率スイッチなどといったマグノンエンジニアリングに基づいた新たな熱制御技術の創成を目指します。

本研究成果は、2025年10月1日付（現地時間）で「Advanced Functional Materials」誌に掲載されました。