スピンカロリトロニクスにおけるナノスケール熱伝導の解明と制御

• 研究課題/領域番号: 22K20495
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0402:ナノマイクロ科学、応用物理物性、応用物理工学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 平井 孝昌 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センター, 研究員 (30949863)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: スピンカロリトロニクス / 熱伝導 / 時間領域サーモリフレクタンス / スピン流 / 熱電変換 / 金属人工格子 / 磁性薄膜 / マグノン / スピントロニクス / 熱工学

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、スピントロニクスと熱工学の融合研究領域：スピンカロリトロニクスにおいて未発展な、ナノスケール領域および界面におけるスピンを介した“熱エネルギー伝導”を解明し、その原理に基づく新奇熱制御機能を開拓することにある。外場の印加を可能とし、測定温度が可変な光学的熱伝導率計測系を構築し、コンビナトリアル物質設計に基づいたハイスループットな磁性・スピントロニクス材料の熱伝導計測を行うことで、スピンを利用した熱伝導制御研究をスピンカロリトロニクスにおいて主流な電流/スピン流⇔熱流の相互変換現象の物性探索研究に比肩するものへと押し上げる。

研究成果の概要

本研究では、スピンカロリトロニクスと固体中の熱輸現象：熱伝導の接点を強化し新たな熱制御機能を創出することを目標として、外場・測定温度が可変な唯一無二の熱伝導率計測系の構築を行った。磁性超薄膜の界面制御に着目した物質設計の下で系統的な熱伝導計測を行うことで、以下の成果を得た。(1)スピン流を媒介としたナノスケール熱伝導の室温下制御の実証、(2)横型磁気熱電変換物質のハイスループット探索手法の確立と無磁場熱電変換の実証、(3)Fe/Pt多層膜の金属人工格子化による熱伝導率の低減の観測と横型熱電変換の無次元性能指数の定量評価。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、スピントロニクス材料の熱伝導率の汎用性の高い計測・評価法を確立し、スピンカロリトロニクスでは未開拓であった磁性/スピンを利用した熱輸送制御機能の創出に先鞭をつけることに成功した。本研究成果を基盤として、電子・フォノン・スピンなど複数の熱キャリアによって媒介される熱伝導の物理描像の総合的な理解の進展や更なる新たな熱伝導制御機能の開拓、それらに最適な物質探索の活性化などに結び付く可能性があり、学術的・社会的意義は極めて大きい。

研究成果

• [雑誌論文] Bipolarity of large anomalous Nernst effect in Weyl magnet-based alloy films (2024)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Shun、Fujiwara Kohei、Yanagi Yuki、Suzuki Michi-To、Hirai Takamasa、Seki Takeshi、Uchida Ken-ichi、Tsukazaki Atsushi
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 20 号: 2 ページ: 254-260
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02293-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative measurement of figure of merit for transverse thermoelectric conversion in Fe/Pt metallic multilayers (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki Takumi、Hirai Takamasa、Yagi Takashi、Yamashita Yuichiro、Uchida Ken-ichi、Seki Takeshi、Takanashi Koki
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 21 号: 2 ページ: 024039-024039
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.21.024039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Creation of flexible spin-caloritronic material with giant transverse thermoelectric conversion by nanostructure engineering (2024)
  • 著者名/発表者名: Gautam Ravi、Hirai Takamasa、Alasli Abdulkareem、Nagano Hosei、Ohkubo Tadakatsu、Uchida Ken-ichi、Sepehri-Amin Hossein
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-024-46475-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Seebeck-driven transverse thermoelectric generation in magnetic hybrid bulk materials (2023)
  • 著者名/発表者名: W. Zhou, A. Miura, T. Hirai, Y. Sakuraba, and K. Uchida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 号: 6 ページ: 062402-062402
  • DOI: 10.1063/5.0126870
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elastocaloric effect of shape memory polymers in elastic response regime (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirai Takamasa、Uto Koichiro、Ebara Mitsuhiro、Uchida Ken-ichi
  • 雑誌名: Journal of Physics: Energy 巻: 5 号: 3 ページ: 034011-034011
  • DOI: 10.1088/2515-7655/ace7f3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of the Anisotropic Magneto-Thomson Effect (2023)
  • 著者名/発表者名: Modak Rajkumar、Hirai Takamasa、Mitani Seiji、Uchida Ken-ichi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 131 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.206701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of the giant magneto-Seebeck effect in a metastable Co50Fe50/Cu multilayer (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirai Takamasa、Sakuraba Yuya、Uchida Ken-ichi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 121 号: 16 ページ: 162404-162404
  • DOI: 10.1063/5.0118382
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sm-Co-based amorphous alloy films for zero-field operation of transverse thermoelectric generation (2022)
  • 著者名/発表者名: Modak Rajkumar、Sakuraba Yuya、Hirai Takamasa、Yagi Takashi、Sepehri-Amin Hossein、Zhou Weinan、Masuda Hiroto、Seki Takeshi、Takanashi Koki、Ohkubo Tadakatsu、Uchida Ken-ichi
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: 23 号: 1 ページ: 767-782
  • DOI: 10.1080/14686996.2022.2138538
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] スピントロニクス材料におけるナノスケール熱伝導計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平井孝昌
  • 学会等名: 第１回 光・熱・電気と磁気の相互作用の活用技術調査専門委員会 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] スピントロニクス材料におけるナノスケール熱伝導計測と制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 平井孝昌
  • 学会等名: ナノスケールソフト磁性体の創製とデバイス応用調査専門委員会 第3回ナノ磁性研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Spin-current-induced non-equilibrium change in thermal conductivity and interfacial thermal resistance at room temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirai, T. Morita, S., Biswas, J. Uzuhashi, T. Yagi, Y. Yamashita, K. Varun, R. Modak, Y. Sakuraba, T. Ohkubo, R. Guo, B. Xu, J. Shiomi, D. Chiba, and K. Uchida
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Active and selective temperature control using mechanical strain (2023)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Hirai
  • 学会等名: 第47回日本磁気学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Flexible Elastocaloric Kirigami Temperature Modulator (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hirai, R. Iguchi, A. Miura, K. Uto, M. Ebara, and K. Uchida
  • 学会等名: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • 国際学会