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工学部/工学系研究科 プレスリリース

室温・ゼロ磁場で世界最高の磁気熱電効果を実現する鉄系材料:物理工学専攻 野本 拓也助教、有田 亮太郎教授ら

 

東京大学物性研究所の酒井明人助教、Taishi Chen特任研究員、肥後友也特任助教、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻・物性研究所およびトランススケール量子科学国際連携研究機構の中辻知教授らの研究グループは、金沢大学の見波将博士後期課程大学院生(研究当時)、石井史之准教授(理化学研究所客員研究員)、東北大学大学院理学研究科物理学専攻の是常隆准教授、東京大学大学院工学系研究科の有田亮太郎教授(理化学研究所チームリーダー)、物性究所・トランススケール量子科学国際連携研究機構の三輪真嗣准教授らの研究グループと協力して、鉄を含む汎用材料で鉄単体より20倍大きな磁気熱電効果(=異常ネルンスト効果、が得られることを発見しました。
磁気熱電効果は従来の熱電変換と異なり、温度差と垂直方向に発電し、大面積化やフレキシブル化が容易で、高効率で発電が行えるという利点を持ちます。本研究により、鉄にアルミやガリウムといった元素を添加することで、鉄単体の場合より20倍大きな磁気熱電効果が得られることを発見しました。特に鉄やアルミは地球上の資源として豊富で、廉価な材料であり、このような汎用材料での巨大な磁気熱電効果の発見はその実用化に向けて大きなブレイクスルーとなります。また、同一面積・温度差当たりの発電量は従来技術を凌駕しており、薄膜型デバイスへの発展が期待されます。
本研究開発における材料探索には、まず、東北大学を中心として第一原理計算を用いた磁気熱電効果を自動的に計算するハイスループット計算手法を開発し、磁気熱電効果の理論値をデータベース化しました。その中から、安価かつ工業的にも利用しやすい鉄系材料に着目して材料の作製と実験を行いました。その結果、本材料の発見につながりました。また、この材料の性能理解のため、金沢大学および理化学研究所で電子状態の詳細な解析が行われました。その結果、ノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルなバンド構造に由来していることが明らかになり、今後の材料開発の指針が明らかとなりました。
本成果により磁気熱電効果を利用した熱電変換デバイスの開発が加速し、IoT機器の自立電源などに利用されることが期待されます。
本成果はNatureオンライン版(4月27日予定)に掲載されました。

 

プレスリリース本文: PDFファイル

Nature:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2230-z

東京大学物性研究所:http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=10583

東京大学大学院理学系研究科・理学部:https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2020/6832/

理化学研究所:https://www.riken.jp/press/2020/20200428_1/index.html

科学技術振興機構(JST):https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200428/index.html