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物性・原理

熱伝導を電気で制御する新手法を開発 ~スピン熱流を自在に制御して,次世代の熱マネジメントへ~

 東北大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年9月2日,同大学大学院工学研究科応用物理学専攻 藤原 巧教授,寺門 信明助教らの研究グループが,スピン波を量子化した準粒子であるマグノンを用いた熱流の新しい制御法を提案し,その実証に成功した,と発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業さきがけ,および独立行政法人日本学術振興会 科研費(若手研究(A))の支援を受けて実施され,その成果は,国際科学誌Scientific Reportsに掲載された(注).

 ノートパソコンやスマートフォンなどを駆動した電気エネルギーは,駆動後は熱エネルギーに姿を変える.熱は放散に時間がかかるためデバイスの温度を上昇させ,性能低下,劣化,故障の原因となる.このため,熱放散を良くするための熱回路設計や高熱伝導材料の開発が求められる.一方,様々な機器が稼働した時に生じる排熱は重要なエネルギー源である.様々な局面で,流れの制御,エネルギー変換などの熱マネジメントの重要性が高まっている.熱流の担い手は格子振動のフォノンや電子とされてきた.一方,半導体などの情報の担い手は電子の電荷であったが,電子のスピンにも担わせようとスピントロニクスの研究が進んでいる.熱流にもスピンを利用しようという動きが広まり,スピンによる熱電効果なども注目されている.本研究グループは,スピン熱伝導物質が異方的な高熱伝導性を示すのを利用して“熱制御回路”の創出を目指した研究を進めてきた.その中で本研究は,電気的にスピン熱伝導率を制御しようというものである.

 研究グループは,分子が梯子状に結合して薄膜を構成するスピン鎖梯子銅酸化物(Spin‐chain lad-der cuprate:La5Ca9Cu24O41 (LCCO))に着目した.この物質は室温においても金属に匹敵するスピン熱伝導を示す一方,マグノン熱伝導は梯子構造の中の正孔密度に敏感である.そこで高電界印加のできるイオン液体と組み合わせ,下部電極となる低抵抗シリコン(Si)基板上にLCCO多結晶薄膜(厚さ~500nm),その上にイオン液体,上部電極を順次重ねた試料を作製し,電圧を印加して物性の評価を行った.上部電極に酸化インジウム錫(ITO)を用いた試料に波長532nmのレーザー光を照射してラマン分光測定を行なったところ,マグノン由来のピークは電圧印加によって減少し,電気的短絡で回復した.これは,マグノン移動の障害となる正孔を電気的に導入・排除できたことを示している.そこで,上部電極に金(Au)を用い,これをレーザー光で加熱したときのLCCOの熱伝導率をサーモリフレクタンス法で評価した.その結果,2Vの電圧を印加すると熱コンダクタンスは4MWm-2K-1から~1.7MWm-2K-1に低下し,短絡すると元の値に戻り,スピン熱伝導が外部電圧で制御できることが分かった.

 今後,マグノン制御機構を明らかにし,熱伝導とその異方性の電気的な高速制御が可能になれば,排熱や蓄熱,超精密温度制御など次世代の熱マネジメント技術への応用が期待されるとしている.

(注)Nobuaki Terakado, Yoshinori Nara, Yuki Machida, Yoshihiro Takahashi & Takumi Fujiwara, "Dynamic control of heat flow using a spin-chain ladder cuprate film and an ionic liquid", Scientific Re-ports, Vol. 10, Article number: 14468 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-70835-z; Published: 02 September 2020