2019 Fiscal Year Annual Research Report
Thomson effect in spin caloritronics
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19H02585
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
内田 健一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, グループリーダー (50633541)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関 剛斎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40579611)
井口 亮 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 研究員 (40707717)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピンカロリトロニクス / トムソン効果 / 磁気熱電効果 / ロックインサーモグラフィ / 熱制御 / 磁性材料 / スピン流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、スピン自由度とトムソン効果の相互作用がもたらす新しいスピンカロリトロニクスの物理と熱制御機能の開拓を目的としている。研究の第一段階として、R1年度は主に外部磁場によりトムソン係数が変化する「磁気トムソン効果」をターゲットとして実験研究を進めた。得られた成果の概要は以下の通りである。
（１）ロックインサーモグラフィ法を用いて、汎用性の高いトムソン効果の直接計測法を確立した。本手法を用いてトムソン効果によって生成された温度変化の磁場依存性を系統的に測定し、Bi系合金のトムソン係数が外部磁場に対して単調かつ飛躍的に増大することを見出した。本成果は磁気トムソン効果の直接観測に初めて成功したものであり、次年度早期の論文掲載を目指す。
（２）磁性体において磁化と電流・温度勾配の相対角に依存してトムソン係数が変化する「異方性磁気トムソン効果」に関する検討も進めた。異方性磁気トムソン効果の観測実験に用いる物質を選定するために、本年度は強磁性二元合金における異方性磁気ゼーベック・ペルチェ効果の物質依存性測定と熱電性能の定量化を行い、大きな熱電変換係数の異方性を示す物質を特定した（Phys. Rev. Mater.誌に論文掲載）。
（３）上記の実験はバルク材料において行ったが、スピン流版のトムソン効果の物理を開拓するためには、薄膜複合構造における発熱・吸熱現象を高感度・高精度で計測する必要がある。薄膜素子にける熱電・熱スピン効果の振る舞いを明らかにするため実験の一環として、CIP-GMR素子における磁気ペルチェ効果およびメンブレン基板上の強磁性体薄膜における異常エッチングスハウゼン効果の振る舞いを系統的に調べた（それぞれAppl. Phys. Lett.誌に論文掲載）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の遂行に必要な熱計測技術を早期に構築し、Bi系合金における磁気トムソン効果の世界初の直接観測に成功した。トムソン係数の磁場依存性は、同合金におけるゼーベック・ペルチェ係数の磁場依存性よりもはるかに大きいことが明らかになっており、このような巨大な磁気トムソン効果の発現は当初の想定を超えた結果である。次年度以降の実験に向けた準備も順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
磁気トムソン効果の直接観測に関する論文の早期掲載を最優先で進め、「非線形スピンカロリトロニクス」に先鞭を付ける。バルク材料におけるトムソン効果の計測・解析プロセスはすでにルーティン化できているため、これを用いて異方性磁気トムソン効果や熱電テンソルの非対角成分の非線形効果の熱画像計測を行う。大きな磁気熱電効果を発現させるための原理・材料探索と熱スピン変換物性の非線形効果に関する検討も並行して進める。
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