東北大学 金属材料研究所 先端エネルギー材料理工共創研究センター 水口グループ東北大学 金属材料研究所 先端エネルギー材料理工共創研究センター 水口グループ

研究内容

私たちの研究グループでは、新概念の変換機能を持つエネルギー材料の実現を目指して、スピン流を介したエネルギー変換に関する学理を追求すると同時に、変換効率が高く経済性・耐久性にも優れたエネルギー材料の創成にも取組み、将来の創エネ・省エネ社会の構築への貢献を目指しています。特に、熱とスピンの相互作用に関する物理を探究する、スピンカロリトロニクスの理論的・実験的研究や、熱流からスピン流を生成して、電力を得るための材料とデバイス開発などに精力的に取り組んでいます。その中でも特に、ナノ超空間を利用した熱・スピン・電界交差相関による高効率エネルギー変換材料の創製に関する研究を進めています。

 エネルギーを創出するための全く新しいエネルギー変換技術に注目が集まっている背景から、我々は、古くから知られる「異常ネルンスト効果」と呼ばれる熱磁気効果をナノスケールの磁性体超空間構造に適用することにより、飛躍的に高い熱電変換効率を有する材料の創製を目指しています。具体的には、磁性ナノドットが連続的に配置された構造や、ナノポーラス構造などの磁性体/非磁性体連続構造を作製し、熱勾配を印加することにより電圧信号を取り出します。この際、いくつかの付随する物理現象を上手に重畳させることにより、熱電変換性能を向上させ、実際の素子応用までを視野に入れた材料創製を行う予定です。これにより、現行のゼーベック素子を凌駕する性能や低コスト化を実現することができれば、非常にインパクトのある研究成果になると予想されます。

 これまでに、熱勾配により生じるスピン波スピン流とよばれる角運動量の流れが、異常ネルンスト効果を向上させる働きがあることを見いだしました。また、強磁性酸化物薄膜において、異常ネルンスト効果を電界で制御することができることを実証しました。今後は、材料に強く依存する熱電変換効率を正確に見積もることにより、応用化への道筋をつけていきます。

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