エネルギー変換
Spintronics

当研究室で発見されたスピンゼーベック効果は、全く新しい量子原理による熱発電方法として、物理・産業界両面から大きな注目を集めています。熱流は温度勾配によって駆動されるエネルギーの流れです。温度勾配のある系では、古くから知られる熱電変換現象であるゼーベック効果やペルチェ効果が現れます。 温度勾配のある系で、スピン流はどの様に現れるのでしょうか？ 当研究室は早くからこの課題に取り組み、熱流からスピン流が生成されるスピンゼーベック効果を発見し、この効果がミクロのスピン非相反性に起因することを見出しました。生成されたスピン流は逆スピンホール効果を通じて電圧に変換され、この現象はスピンの整流性を利用した新たな熱電変換原理として注目されています。 スピンゼーベック素子に基づく熱電変換素子は、従来の熱電素子を上回る性能が期待されており、現在世界中で研究されています。当研究室では企業との共同研究を通じて実用化に向けた基礎研究も行っています。

MOD法によるスピンゼーベック熱伝フィルムの作成

スピンゼーベック効果が示すスピンと熱流の結合は、スピンを利用した熱流の操作を可能にします。 当研究室では、スピン流がエネルギーを輸送し、熱勾配をスピンを利用して制御することに成功しています。スピン流と熱流の結合はSpinCaloritronicsと呼ばれ、当研究室が世界をリードしています。

スピン波による熱コンベア効果測定

熱のみだけでなく、スピン流を用いることで光や音からも電気を作ることができます。熱や電気の流れがスピン流と結合する様に、スピン流と固体中の流れの結合は普遍的です。固体中では音波は格子の振動、すなわちフォノンとして伝播し、この流れもスピン流と結合するはずです。 研究室では、この"振動"がスピン流を励起できることや、プラズモンを経由して光からスピン・電力を作れることを世界で初めて実証しました。光や音・振動以外にも、様々なエネルギー形態とスピンを結合させ、電力を取り出す原理を研究しています。

ピエゾアクチュエータによるスピン流励起実験

スピンを駆使し、量子力学の原理で動く夢のナノマシンを作ろうとしています。当研究室が提唱したこの分野は、未来の量子物理学の方向性を示しています。 スピンは電子が持つ量子力学的角運動量であり、スピン流はその角運動量を特定の場所に運ぶことが出来ます。そのためスピン流の注入によって、機械運動を駆動させることが可能です。 MEMS/NEMS技術を駆使し、連続体の回転運動をスピン流によって駆動したり、運動からスピン流や電流を取り出すための物理原理の研究を行っています。また、力学運動はミクロには物質の格子振動と考えることができるため、フォノンと電子の間での角運動量のやり取りという素過程を解明することに繋がります。

垂直磁化膜から液体金属への力学的スピントルクの概念図

原子核のスピンと回転運動を利用したスピントロニクス効果を研究しています。電子のスピンは磁気モーメントとして、外部から試料に印加された磁場に向きを揃えます。 同様に試料を力学的に回転すると、スピンの磁気モーメントは回転軸の向きに揃えます。これはバーネット効果と呼ばれ、電子よりも核スピンに対して大きな作用を及ぼすことが期待されています。当研究室では、核スピンに対する回転の効果を、理論・実験の両面から調べて、既に核バーネット効果の検出に成功しております（ＪＡＥＡ先端基礎研究センターと共同）。

核磁気共鳴によるバーネット効果の測定

電流はU(1)の大局的ゲージ対称性に基づく保存量であり、そのネーターカレントとして記述されます。 この電荷と結合するゲージ場がU(1)の局所対称性から、電磁場として導か れます。 同様にスピン流と連続体運動の結合を理論的に表現するためには、非慣性系を含む一般座標変換を導入したブロッホ電子理論が必要であり、 これは本質的に一般相対論の一部を固体物理導入することにあたります。当研究室ではスピン流と力学運動を融合させるべく、一般相対論を含む形で物性理論を拡張した場の理論体系を構築しています。また、これを利用したスピントロニクスの基礎理論体系の拡張、数値シミュレーションも行っています（ＪＡＥＡ先端基礎研究センターと共同）。

磁化、回転、スピン流の関係性