東大ら,トポロジカル磁気構造体のゆらぎによる熱電効果を発見

東京大学の研究グループは,トポロジカル磁気構造体をもつ化合物MnGeにおいて,大きな熱電効果を発見した。また,東京大学,理化学研究所,東北大学らの研究グループと共同で多角的な検証実験や計算を行ない,MnGeの磁気モノポールが生み出す巨大な仮想磁場のゆらぎがその機構と密接に関係していることを実証した(ニュースリリース)。

物質の両端に温度差を与えた際に温度勾配と平行な向きに電圧が発生する熱電効果(あるいはゼーベック効果)は,エネルギーを電力に変換する環境発電技術として利用することができる。そのため,熱電効果の高効率化を目指し,固体中で熱と電気を運ぶ電子の性質を制御するためのさまざまな研究が行なわれている。

近年,新しい電子機能を生み出す舞台として注目を浴びているトポロジカル磁気構造体は,トポロジカル磁気構造体と電子が結合すると,固体中に発生した仮想磁場が電子の運動に影響を与え,従来の電磁気学では説明のつかないさまざまな現象が起きる。一方で,そのような観点から電子の性質を制御して大きな熱電効果を引き出した例は報告されていなかった。

研究グループは,トポロジカル磁気構造体をもつ化合物MnGeにおいて,磁場をかけることで巨大化する熱電効果を発見し,その機構にトポロジカル磁気構造体である磁気モノポールと反モノポールの対消滅が深く関係している可能性を明らかにした。

MnGeに存在すると考えられている磁気モノポール・反モノポールは,固体中に40テスラもの巨大な仮想磁場を生み出し,また仮想磁場の大きな揺らぎによって,電子の運動が大きく影響を受けることが分かっている。さらに,外部から磁場をかけることで,磁気モノポールと反モノポールの対消滅が発生し,そのまわりで磁気揺らぎの効果がより顕著になることも期待されている。

一般に,電子のエントロピーが小さくなる低温・高磁場において熱電効果は小さくなるが,MnGeは低温・高磁場にも関わらず,通常の金属化合物より1桁大きな熱電効果を示すことを発見した。

そこで多角的な検証実験を行なった結果,観測された巨大熱電効果の起源が従来の機構では説明できず、磁気モノポールの対消滅に伴う大きな磁気揺らぎと密接な関連をもつことが明らかになった。大きな熱電効果が発現する重要な機構の一つとして,電子が固体中を流れるときに特殊な散乱を受けるということが挙げられる。

実際にMnGeにおいて,散乱機構と密接に関係している磁気抵抗を測定すると大きな異常がみられ,これが磁気モノポールの対消滅に伴う仮想磁場の揺らぎで説明できることが分かっている。観測された巨大な熱電効果は,この磁気抵抗の異常分の大きさと強い相関関係を示しており,研究グループは磁気モノポールの仮想磁場の揺らぎに起因しているという可能性を提案した。

今回のトポロジカル磁気構造体における巨大な熱電効果の発見により,省エネルギー問題に貢献することが期待される。今後,他のトポロジカル磁気構造体においても,同様の高効率な熱電変換現象の探索が求められると共に,巨大な仮想磁場とその揺らぎを発生させる磁気モノポールのような特殊なトポロジカル磁気構造体を他の物質でも実現するために,新しい物質の探索も行なっていくとしている。

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