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熱電トレードオフの打破を目指した非平衡熱電計測法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K17667
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分13:物性物理学およびその関連分野
研究機関東京工業大学

研究代表者

家永 紘一郎  東京工業大学, 理学院, 助教 (50725413)

研究期間 (年度) 2023-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2024年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
キーワード熱電効果 / 非平衡物性 / 第二種超伝導体 / 磁束量子 / エントロピー
研究開始時の研究の概要

流体一般には、運ばれるエントロピーが高いほど粘性が高い、というトレードオフが知られ、熱電材料の性能向上を妨げる一因となっている。そこで、未解明である「粘性あたりのエントロピー」の最大化条件を調べるため、制御性に優れた系である超伝導体中の磁束量子を用いる。磁束量子はエントロピーを輸送でき、熱起電力を発生させる。さらに、高周波電流で磁束を振動させると粘性が減少する。エントロピーを維持したまま粘性だけを下げることができれば、熱起電力の増大が期待される。そこで本研究では高周波電流下という非平衡状態での熱電計測法の世界初の開発に挑む。得られた知見はスキルミオンや電荷密度波などの系へも波及する。

研究実績の概要

本研究では,超伝導試料に直流の熱流を印加して熱電効果を測定する際に,同時に高周波電流を印加して試料中の磁束量子を交流駆動させることで,磁束量子のフローが熱電信号に与える影響を調べる.このため,磁束量子フローによる本質的な効果と,高周波電流の印加による発熱効果を分離する必要がある.そこで2023年度には,高周波電流をパルス状に印加して発熱を防ぎながら,その瞬間の熱起電力を計測するという測定方法を立ち上げた.試料には磁束が動きやすい超伝導体であるアモルファスMoxGe1-x(超伝導転移温度7K)を用いた.測定回路の試行錯誤の結果,パルス状に高周波電流が印加された瞬間の熱電信号をFFTアナライザーで時間分解計測することに成功した.さらに,発熱が生じない範囲の微小振幅の高周波電流を印加した時に,従来通りにナノボルトメーターで計測した熱電信号と時間分解計測した熱電信号が定量的に一致することを確認した.この測定系を用いて,高周波電流の振幅を増加させながら熱電信号を計測したところ,電流振幅の増加に伴って熱電信号が増大することが明らかになった.この起源を調べるために粘性と輸送エントロピーをそれぞれ見積もったところ,電流振幅の増加によって粘性が低下するだけでなく,予想外なことに輸送エントロピー自体も増加していることがわかった.「粘性が低下し,輸送エントロピーが増加する」という振る舞いは,これまで知られていたトレードオフを克服するものである.輸送エントロピーの増加は,磁束量子のフローに伴って磁束量子コア内部で電子励起が促進されることを反映したものと解釈される.以上の結果を踏まえて,今後は電流振幅をさらに増加させ,さらに温度や磁束量子の密度(磁場)などのパラメータを変えながら熱電信号を計測することで,最もエントロピー輸送効率および熱電信号が増大する条件を探っていく.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

高周波電流をパルス状に印加することで発熱を防ぎつつ,その瞬間の熱起電力を計測するという測定方法を立ち上げることに成功した.この方法を用いることで,電流振幅の増加に伴って熱電信号が増大することが観測された.さらに,この熱電信号の増加が粘性の低下と輸送エントロピーの増加の両方に起因することが明らかになった.この「粘性が低下し,輸送エントロピーが増加する」という振る舞いは,これまで知られていたトレードオフを克服するものである.このように,研究は概ね順調に進行している.

今後の研究の推進方策

本年度の結果を踏まえて,今後は電流振幅をさらに増加させ,さらに温度や磁束量子の密度(磁場)などのパラメータを変えながら熱電信号を測定することで,熱電信号が最も増大する条件を探っていく予定である.さらに,本手法を用いることで,高周波電流が印加された非平衡状態における輸送エントロピーを計測できるようになった.駆動された磁束量子のフロー構造は電流振幅をパラメータとして非平衡相転移を示すことが知られているため,非平衡相転移とエントロピーの関係という未解明問題についても研究を進めていく予定である.

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Broadened quantum critical ground state in a disordered superconducting thin film2024

    • 著者名/発表者名
      Ienaga Koichiro、Tamoto Yutaka、Yoda Masahiro、Yoshimura Yuki、Ishigami Takahiro、Okuma Satoshi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 15 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-024-46628-7

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 単層近藤格子CePt<sub>2</sub>/Pt(111)の構造と強相関電子状態2023

    • 著者名/発表者名
      Koichiro IENAGA、Sunghun KIM、Toshio MIYAMACHI、Fumio KOMORI
    • 雑誌名

      表面と真空

      巻: 66 号: 8 ページ: 461-466

    • DOI

      10.1380/vss.66.461

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • 年月日
      2023-08-10
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 2次元超伝導体の温度磁場相図における超伝導ゆらぎの全貌と量子臨界状態2024

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎
    • 学会等名
      東京工業大学 極低温研究支援センター研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Kibble-Zurek mechanism for dynamical phase transition in driven superconducting vortices2024

    • 著者名/発表者名
      前垣内舜, ◯家永紘一郎,大熊哲
    • 学会等名
      京都大学 齊藤圭司研究室セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱電効果で探る2次元超伝導体の量子相転移と非平衡相転移2024

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎
    • 学会等名
      金沢大学低温物性研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 輸送エントロピー計測による渦糸系の動的相転移の検出2024

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎、石上貴大、吉村優輝、江部薫、金子真一、大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] アモルファスMoxGe1-x超伝導薄膜の磁場誘起量子相転移に対する乱れの効果2024

    • 著者名/発表者名
      江部薫、家永紘一郎、石上貴大、橘武志、金子真一、大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 超伝導渦の動的秩序化におけるKibble-Zurek機構:普遍性の検証2023

    • 著者名/発表者名
      海老原鯛壱, 前垣内舜, 大森康志郎, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 電流駆動された超伝導渦糸系に対する熱電計測法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      石上貴大, 家永紘一郎, 吉村優輝, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 熱的測定法で見る超伝導渦糸系の動的相図2023

    • 著者名/発表者名
      家永紘一郎, 石上貴大, 吉村優輝, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 乱れた2次元超伝導体の量子相転移解明に向けたイオンゲート法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      江部薫, 家永紘一郎, 石上貴大, 吉村優輝, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 非対称クエンチ過程を用いた動的秩序化転移におけるKibble-Zurek機構2023

    • 著者名/発表者名
      大森康志郎, 前垣内舜, 海老原鯛壱, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 交流重畳による渦糸の流動化とクロッギングの制御:渦糸密度の影響2023

    • 著者名/発表者名
      中井康太, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 可逆不可逆転移に伴う渦糸配置の変化:微視的測定2023

    • 著者名/発表者名
      金子真一, 竹腰直樹, 前垣内舜, 三宅健太郎, 家永紘一郎, 坂田英明A, 大熊哲
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Pt原子層/CePt2原子層/Pt(111)のSTM像とそのDFTシミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      小森文夫, 家永紘一郎, 宮町俊生, 加藤弘一
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会(2023年次大会)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] A quantum critical point inside the field-induced metallic state of disordered superconducting thin films2023

    • 著者名/発表者名
      K. Ienaga, Y. Tamoto, M. Yoda, Y. Yoshimura, T. Ishigami, S. Okuma
    • 学会等名
      the 36th International Superconductivity Symposium (ISS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 渦糸フローの秩序化転移に伴う輸送エントロピー増大2023

    • 著者名/発表者名
      家永 紘一郎,石上貴大,吉村優輝,江部薫, 金子真一,大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 乱れた2次元超伝導体の量子相転移研究のためのイオンゲート法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      江部薫、家永紘一郎、石上貴大、吉村優輝、金子真一、大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 渦糸の輸送エントロピー計測による非平衡相転移の検出2023

    • 著者名/発表者名
      石上貴大,家永紘一郎,吉村優輝,江部薫, 金子真一,大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ハイブリッド型走査トンネル分光による渦糸の動的秩序化の微視的観測2023

    • 著者名/発表者名
      金子真一、竹腰直樹、前垣内舜、三宅健太郎、家永紘一郎、大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 渦糸のクロッギングと流動化の制御2023

    • 著者名/発表者名
      中井康太, 前垣内舜, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 渦糸の動的秩序化転移におけるKibble-Zurek機構:普遍性の検証2023

    • 著者名/発表者名
      海老原鯛壱, 前垣内舜, 大森康志郎, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 非対称クエンチ過程を用いた動的秩序化転移におけるKibble-Zurek機構と臨界現象2023

    • 著者名/発表者名
      大森康志郎, 前垣内舜, 海老原鯛壱, 家永紘一郎, 金子真一, 大熊哲
    • 学会等名
      第29回渦糸物理ワークショップ
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-07-04   更新日: 2024-12-25  

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