研究結果

スピンゼーベック効果はスピン流^注1）を介し、熱を電気エネルギーに変換する現象であり、それを発現する素子の構造が単純なことから、次世代の熱電変換法として期待されています。従来、スピンゼーベック効果の性能向上は、磁性体中のスピン流の担い手であるスピン波・マグノン^注2）の性質向上が主な研究対象で、素子を多層化することなどによってスピン波の伝搬距離をのばすことで、スピンゼーベック効果の出力向上に貢献してきました。
しかし新たな研究指針として、物質中の音波がスピンゼーベック効果の出力向上に寄与する可能性をあることが今回の研究で明らかとなりました。これは物質中で音波・フォノン^注3）と、スピン波・マグノンが同じ波長・振動数・速度を持った波動となった場合、互いに共鳴することでスピン流の伝搬距離を伸ばした結果もたらされたものと考えられます。

今回実験では、イットリウム鉄ガーネット（YIG）という磁性絶縁体に白金（Pt）薄膜を成膜し、スピンゼーベック効果によって生じた起電力の測定を行いました（図1）。これに磁場を加えることでマグノンの周波数を高周波側にシフトさせます。フォノンの周波数は磁場で変化しないためマグノンの周波数のみを変化させることが可能です。この測定を行うと、ある特定の磁場において、図1（c）に示したようにスピンゼーベック効果の発電量がピークを持つことが分かりました。このピークの原因は、マグノンとフォノンの混成によるものと考えられます。二つの波の波長と振動数が一致する共鳴条件下では、マグノンとフォノンは波として混ざるようになります。この場合、スピン流の担い手はもはやマグノンではなく、マグノンとフォノンの両方の性質を持った新しい混成波になっていると考えられます。このような混成は通常でも存在していますが、ある特定の磁場では、マグノンとフォノンの伝搬速度までもが一致します。それはマグノンとフォノンの分散関係がちょうど接する状況で実現されます。一般に、フォノンはマグノンよりも長距離を伝搬します。そのため、この特別な混成波はフォノンの長距離伝搬とマグノンの角運動量輸送の両方の性質を最大限利用し、より長距離を伝搬するスピン流として、スピンゼーベック効果を増大させると考えられます。実際に混成波の影響を考慮したスピン流の理論計算をおこなったところ、実験結果は良く再現されているものであることが分かり、混成波によって生じた長寿命なスピン流がスピンゼーベック効果の起電力信号増大の起源であると結論付けました。また、マグノンによるスピンゼーベック効果が低下する温度４ K程度の低温領域において、この特別な共鳴現象による効果が顕著となり、発電量が数百パーセントも改善することが明らかとなりました。

今回の研究により、マグノンとフォノンの共鳴効果（混成効果）を介して、マグノン流に比べて長寿命なフォノン流をスピンゼーベック効果に利用可能であることが示されました。これは次世代の熱電変換技術として注目されているスピンゼーベック効果の高効率化への新しい指針が得られたといえます。今後、本発見を皮切りに音波・フォノン流を積極的に利用したスピントロニクス^注4）分野の新たな発展が期待されます。

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