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物性・原理

光を当てるだけで電流に伴って生じる熱流を自在に制御することに成功 ~磁気の源「スピン」を利用した新しい熱エネルギー制御機能~

 国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)と同 科学技術振興機構(JST)は2020年1月8日,磁性体に光を照射することで電流に付随して生じる熱流の方向や分布を自在に制御できることを初めて実証した,と発表した.本研究は,主にJST戦略的創造研究推進事業CREST「ナノスケール・サーマルマネージメント基盤技術の創出」研究領域の一環として,NIMS磁性・スピントロニクス材料研究拠点スピンエネルギーグループの内田 健一グループリーダー,磁気記録材料グループの高橋 有紀子グループリーダーらにより行われ,成果は英国科学誌Nature Communicationsに掲載された(注).

 金属や半導体に流れる電流と熱流の変換現象(熱電効果)は,電流に伴う熱流の生成現象であるペルチェ効果が古くから知られている.ペルチェ効果で生成される熱流の方向は物質により決まっているが,磁性材料では,電流に伴う熱流の方向をスピンの性質により制御可能である.近年,物質中の電子のスピンの性質を利用するスピントロニクスが磁気センサーやメモリで実用化され,熱流制御においても,スピン制御技術による新たな原理として「スピンカロリトロニクス」の研究が進められている.一方,磁性体の記録密度向上研究においては,磁気情報の記録原理に,従来の磁気や電流に代わりレーザー光を照射するだけでレーザー光の偏光状態に応じて生じる「光誘起磁化反転(AO-HDS)現象」が注目されているが,これまでこの現象がスピンカロリトロニクスに適用されることは無かった.

 本研究において研究グループは,スピンカロリトロニクスと光磁気記録の技術を結び付け,磁性体の薄膜に光を照射することで,電流に付随して生じる熱流の方向や分布を自在に制御可能なことを実証した.実証実験に利用したのは,磁性体に電流を流した際に,電流と磁化の両方に垂直な方向に熱流が生成されるという磁性材料に特有な熱電効果(異常エッチングスハウゼン効果;AEE効果)である.AEE効果で生成した熱流は,磁化方向を反転させれば熱流も反転する.すなわち,AO-HDS現象を示す材料にレーザー光を照射し,局部的に磁化を反転させればその部分に限り熱流を反転させることができる.AO-HDS現象はレーザー光の円偏光が右回りか左回りかに依存して決定されるので,これを利用しレーザー光の照射パターンや偏光状態を変え,磁性体中の熱流分布を自由にデザインすることが可能になる.実験に使用されたAO-HDS現象を呈す磁性体は,ガラス基板上に成膜した幅0.5mmのCo/Pt多層膜(Co(0.3nm)/Pt(0.7nm)4層膜)である.これにレーザー光で磁化反転パターンを作り,電流(周期25Hz,振幅7mAの矩形波)を流しながら試料表面の温度パターンをロックインサーモグラフィ法で観察すると,磁化反転パターンに対応した温度変化パターンが得られた.観察された温度変化の幅は±2.5mK程度である.Co/Pt多層膜に直線偏光を照射すると,磁化反転パターンが消失するとともに温度パターンも消失するが,再び円偏光を照射すると温度変化が発現することも確認された.

 今回の成果は,ナノスケール電子デバイスで重要になる熱マネジメント技術の新たな提案であり,加熱・冷却能を向上させてスピンエレクトロデバイスにおける熱制御に利用できる可能性がある.さらに,「光で熱流を制御する」というコンセプトは,各種のスピンカロリトロニクス現象と組み合わせて新たな機能を生み出せる可能性も期待されるという.

(注)Jian Wang, Yukiko K. Takahashi, and Ken-ichi Uchida, "Magneto-optical painting of heat current", Nature Communications, Vol. 11, Article number: 2 (2020), doi:10.1038/s41467-019-13799 -7 ; Published: 07 January 2020