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【プレスリリース】世界初の核の自転を利用した熱発電 - 熱エネルギー利用技術・スピントロニクスに新たな可能性 -

掲載日2021.7.26


概要

東京大学大学院工学系研究科の吉川貴史助教、東京大学大学院工学系研究科/東北大学材料科学高等研究所の齊藤英治教授らを中心とする研究グループは、東京大学大学院総合文化研究科の塩見雄毅准教授、東北大学材料科学高等研究所の高橋三郎学術研究員、岩手大学理工学部物理・材料理工学科の大柳洸一助教らと共同で、原子核の自転運動である「核スピン」を利用した新しい熱発電を実証しました。

環境の温度差が電気を作り出す現象のことを熱電変換現象と呼びます。熱電変換現象の歴史は古く、1821年のゼーベック効果の発見以降、200年にわたって世界中で盛んに研究が行われてきました。熱電変換現象を利用すれば、排熱から電気エネルギーを創出する熱発電が可能であり、次世代のクリーンエネルギー技術の基盤要素として注目されています。これまで本現象はパワーデバイス、熱センサー、冷却技術等へ応用されてきましたが、その発現原理は全て物質中の電子が担ってきました。しかしながら、電子に基づく熱電変換は、低温域で電子の動きが凍結することによって、その効率が劇的に抑制されてしまいます。この問題ゆえに、熱電変換デバイスの適用範囲は高温域(典型的には室温以上)に制限されてきました。

今回、吉川助教らは、物質中の原子核がもつ自転の性質である「核スピン」を利用した新しい熱電変換現象を実証しました。核スピンは、電子の動きが完全に凍結する絶対零度(?273.15℃)付近の超低温域でも、電子に比べて極めて小さなエネルギーで熱揺らぎをしています。この熱揺らぎをスピントロニクス技術を利用することで電力に変換することに成功しました。この発見により、200年間、電子制御に限られていた熱電変換に原子核スピンの概念が加わり、絶対零度に迫る超低温まで応用可能な新しい熱電変換分野の扉が開かれました。
本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」に2021年7月16日(英国時間)に掲載されました。

  • 図2 核スピン、コリンハ緩和、核スピンゼーベック効果実験の模式図.png核スピン、コリンハ緩和、核スピンゼーベック効果実験の模式図



本研究は、以下の助成を受けたものです。
・科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業ERATO・JPMJER1402「齊藤スピン量子整流プロジェクト」(研究代表者:東北大学齊藤教授)
・科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業CREST・JPMJCR20C1「非古典スピン集積システム」(研究代表者:東京大学齊藤教授)
・科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業CREST・JPMJCR20T2「電気回路によるトポロジカル量子計算方法の創生」(研究代表者:東京大学江澤講師)
・科学研究費助成事業19H05600・基盤研究(S)「核スピン流の物性科学開拓と核スピン熱電変換」(研究代表者:東京大学齊藤教授)
・科学研究費助成事業19K21031・研究活動スタート支援「中性子を用いたスピン流-熱電変換プロトタイプ物質のマグノン分散及び寿命の決定」(研究代表者:東北大学吉川助教)
・科学研究費助成事業20H02599・基盤研究(B)「核スピン-機械振動コヒーレント結合科学の開拓」(研究代表者:東京大学吉川助教)
・科学研究費助成事業20K22476・研究活動スタート支援「常磁性体/金属接合における界面スピン注入の研究」(研究代表者:岩手大学大柳助教)
・科学研究費助成事業20K15160・若手研究「超低温スピントロニクスの開拓」(研究代表者:東京大学巻内特任研究員)
・科学研究費助成事業26103005・新学術領域研究(研究領域提案型)「熱・力学的スピン変換」(研究代表者:東京大学齊藤教授)

【掲載論文】
掲載紙:Nature Communications
論文名:Observation of nuclear-spin Seebeck effect
著 者:吉川 貴史 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 助教/東北大学材料科学高等研究所・同金属材料研究所 助教(研究開始時)
Derek Reitz カリフォルニア大学ロサンゼルス校 博士課程
伊藤 宏陽 東京大学工学部物理工学科4年生(当時)
巻内 崇彦 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 特任研究員
杉本 宜陽 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻修士課程2年生(当時)
恒川  翔 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻修士課程2年生(当時)
大門 俊介 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 助教
大柳 洸一 岩手大学理工学部物理・材料理工学科マテリアルコース 助教
Rafael Ramos 東北大学材料科学高等研究所 助教(当時)
高橋 三郎 東北大学材料科学高等研究所 学術研究員
塩見 雄毅 東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻 准教授
Yaroslav Tserkovnyak カリフォルニア大学ロサンゼルス校 教授
齊藤 英治 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 教授/東北大学材料科学高等研究所 教授
公表日:2021年7月16日
URL:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24623-6
DOI:10.1038/s41467-021-24623-6

本研究成果の詳細は、以下のプレスリリースをご覧ください。