東北大など、磁気の波を用いた熱エネルギー移動に成功

磁気の波を用いた熱エネルギー移動に成功
−次世代電子情報・マイクロ波デバイスの省エネルギー技術開発に道−


【発表のポイント】
　・磁気の波（スピン波）を用いて熱エネルギーを望みの方向に移動させる基本原理を実証
　・新しい熱エネルギー輸送法として、次世代電子情報・マイクロ波デバイスの省エネルギー技術への応用に期待



　東北大学金属材料研究所の安東秀助教、東北大学原子分子材料科学高等研究機構の齊藤英治教授（東北大学金属材料研究所教授、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター客員グループリーダー、兼任）、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターの前川禎通センター長、東邦大学理学部の大江純一郎講師らは、磁気の波（スピン波注１））を用いて熱エネルギーを望みの方向に移動させる基本原理の実証に成功しました。

　近年、持続可能な社会の実現に向けた環境・エネルギー問題への取り組みが活発化する中で、クリーンで信頼性の高いエネルギー源の開発や、電子・マイクロ波デバイスの省電力化が求められています。これまでデバイスに情報を入出力する方法として電流やマイクロ波が用いられてきましたが、多くのエネルギーが熱として浪費され、この発熱によりデバイスの動作が不安定となる問題があるため、効率的な排熱方法の開発が望まれていました。
　今回、安助教、齊藤教授らは、磁気の波（スピン波）を利用することで、熱エネルギーを望みの方向に移動させることができる基本原理を考案し、これを実証しました。この手法により、熱エネルギーを制御して熱源から離れた場所へ運び、デバイスからの排熱効率を上げることが可能となりました。今後、この手法を用いることで電子デバイス・マイクロ波デバイス中の発熱の問題が解決され、次世代省エネルギーデバイス技術の開発に貢献することが期待されます。
　本研究の一部は、独立行政法人科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（CREST）の一環として、東北大学原子分子材料科学高等研究機構、日本原子力研究開発機構、東北大学大学院工学研究科、東邦大学、カイザースラウテルン工科大学（ドイツ）との共同で行われました。
　本研究成果は、英国科学誌「Nature　Materials（ネイチャーマテリアルズ）」のオンライン版（４月２１日付：日本時間４月２２日）に掲載されます。


【背景と経緯】
　環境負荷が小さく高効率なエネルギー利用が求められている現代社会において、電子デバイスやマイクロ波デバイスの更なる省エネルギー化は不可欠であり、省エネ技術に対する取り組みが活性化し、新しいエネルギー変換原理に基づいたデバイスの開発が期待されています。この中でデバイスの微細化にともなう発熱によるデバイス動作の劣化が課題となっており、これを解決する新しい電子技術として「スピントロニクス」が注目を集めてきました。スピントロニクスは電子が持つ電荷の自由度に加えてスピン注２）（磁気）の自由度も積極的に利用するもので、電力の消費を伴わない電流のスピン版である「スピン流」によって駆動されるため、大幅に消費電力を低減した不揮発性磁気メモリーや量子情報伝送が実現できると期待されています。また、スピン流自身は原理的に発熱を伴わないため、デバイスの発熱問題も解決されると期待されていますが、これまでのところスピン流の生成効率は小さく、スピン流の生成には発熱を伴う電流やマイクロ波を使用するため、依然として発熱の問題は解決されていませんでした。
　本研究ではスピン流の一種である、磁気の波（スピン波）を起源とするスピン波スピン流を用いて熱エネルギーを移動する新しい基本原理を見出し、実験・理論の両面で実証しました。その基本原理とは、通常のマイクロ波加熱（図１（a））とは逆に、磁性体中に吸収されたマイクロ波エネルギーがスピン波によって試料中で運ばれ試料端で熱エネルギーに変換されるというものです（図１（b））。これは外部磁場の方向を調節する事で起こり、通常のマイクロ波加熱とは逆方向に温度勾配が生成されます。熱流から磁気の波を生成する現象として「スピンゼーベック効果注３）」が知られていますが、今回の実証はその逆過程に相当する、磁気の波で熱流を操作する現象を実現する原理の一つとなり得るものです。この原理によれば、熱エネルギーを望みの方向に移動してデバイスからの排熱効率をあげることができるため、スピントロニクスの次世代省エネルギーデバイス開発への応用が期待されます。


【研究の内容】
　今回の研究では、図２に示した実験により、スピン波による熱エネルギー移送の現象を実証しました。図２（a）に示した実験系では、直径４ミリメートルの絶縁体である磁性ガーネット（Y３Fe５O１２：YIG）注４）多結晶円盤にマイクロ波と磁場を印加して、磁気の波（スピン波）を励起します。この際、磁場とマイクロ波周波数を調整することにより、YIG試料中に表面だけを伝搬する表面スピン波注５）を励起することができます。この結果、下面で励起された表面スピン波は試料右方向へ伝搬した後、試料端で熱エネルギーを放出することを発見しました。このことは試料温度を赤外線カメラで観測することにより確かめられました（図２（b））。また、磁場の印加する方向を反転することにより、表面スピン波の伝搬方向も反転し発熱の位置を反転させることができることも確認されました。以上の成果は、表面スピン波を用いて所望の方向に熱エネルギーを移送できるということを示しています。


【原理の説明】
　磁性ガーネット（Y３Fe５O１２：YIG）中に励起された表面スピン波は、非相反注６）な磁気の波（スピン波）です。このため、試料の上面と下面で、それぞれ一方向、且つ、互いに逆向きに伝搬するという性質をもちます。この性質により、試料表面を一方向に伝搬した表面スピン波は、試料端で逆向きに反射することができません（図３）。十分な厚みの試料中では、上面と下面の表面スピン波間の飛び移りも抑制することができ、結果として、試料端でスピン波の持つエネルギーが熱エネルギーとして放出されます。この原理を用いて、今回、望みの方向に熱エネルギーを移送できることが明らかになりました。


【今後の展開】
　環境負荷の小さなエネルギー技術や新しい次世代電子情報・マイクロ波デバイスの開発において、発熱を抑える問題は、現在のエレクトロニクスの最重要課題のひとつです。本研究で実証された磁気の波を用いた熱エネルギー移送法の発見は、新原理による熱輸送法を提案するもので、省電力デバイス開発等に貢献すると期待されます。
　また、本研究で明らかになった物理原理は、磁気の波（スピン波）と熱との相互作用を利用するもので、近年、スピンと熱との相互作用に基づく新現象を開拓し注目を集めているスピンカロリトロニクス注７）の分野にも深く関連し、今後の進展が期待される研究成果です。


　本研究の一部は、JSTの戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）の「プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製」研究領域（研究総括：曽根純一物質・材料研究機構理事）の研究課題「スピン流による熱・電気・動力ナノインテグレーションの創出」（研究代表者：齊藤英治）の一環として実施されました。


※参考図などは、添付の関連資料を参照