世界上首次利用核自转的热发电~热能利用技术自旋电子学方面有新的可能性~

世界上首次利用核自转的热发电~热能利用技术自旋电子学方面有新的可能性~

1 .发表要点:

◆世界上首次证实了利用原子核的自转运动“核自旋(注1 )”进行的热发电

◆200多年来，受限于电子技术的热发电加入了原子核自旋的概念，从而打开了可应用于接近绝对零度( −273.15 ℃，注2 )的超低温的新热电转换领域的大门

◆作为磁共振成像( MRI )的主干要素而被使用的核自旋，不仅仅是用于分析的工具，“具有作为电和电流的生成源的功能”这一新的范式应运而生

2 .发表概要: 以东京大学研究生院工学系研究科的吉川贵史助教、东京大学研究生院工学系研究科/东北大学材料科学高等研究所的斋藤英治教授等为中心的研究小组，与东京大学研究生院综合文化研究科的盐见雄毅副教授、东北大学材料科学高等研究所的高桥三郎学术研究员、岩手大学理工系物理材料理工学科的大柳洸一助教等共同证实了利用原子核的自转运动“核自旋(注1 )”进行的新型热发电。

环境的温差产生电的现象称为热电转换现象。 热电转换现象的历史悠久，自1821年发现塞贝克效应(图1 )以来，200年间全世界都在进行着广泛的研究。 如果利用热电转换现象，可以利用废热创造电能的热发电，作为下一代清洁能源技术的基础要素备受瞩目。 迄今为止，本现象已应用于功率器件、热传感器、冷却技术等，但其表达原理全部由物质中的电子承担。 但是，基于电子的热电转换由于在低温区域电子的运动冻结，其效率被急剧抑制(图1 )。 因此，热电转换元件的适用范围一直被限制在高温区域(典型的为室温以上)。

吉川助教等人这次证实了利用物质中原子核所具有的自转性质“核自旋”的新热电转换现象。 核自旋在电子运动完全冻结的绝对零度( −273.15 ℃，注2 )附近的超低温区域，与电子相比也以极小的能量产生热波动(图1 )。 通过利用自旋电子学(注3 )技术，成功地将该热涨落转换为电力(图3 )。 这一发现为受限于电子控制的热电转换增添了原子核自旋的概念，打开了新的热电转换领域的大门，可以应用到接近绝对零度的超低温。 本研究成果刊登在2021年7月16日(英国时间)的英国科学杂志《Nature Communications》上。

3 .发表内容: 【背景和经过】

如果给金属和半导体带来温差，就会沿着温度的梯度产生电压(图1 )。 这种现象被称为塞贝克效应，是在距今正好200年前的1821年由德国物理学家托马斯·塞贝克发现的。 由以塞贝克效应为代表的环境温差产生电的现象一般被称为热电转换现象。 基于这一原理，可以构筑由废热生成电力的热发电元件，因此被期待为清洁且可靠性高的能源技术。 最近，在新一代电子技术的有力候补自旋电子学领域(注3 )中，发现了作为利用电子自旋(磁、注1 )的性质的热电转换的自旋-塞贝克效应(注4、图1 )，从大面积化、薄膜化的容易性、高元件设计自由度的观点出发，作为新型热电转换元件备受期待。 但是，迄今为止热电转换现象的研究应用全部仅限于利用物质中的电子。 基于电子和电子自旋的传统热电转换，如果温度朝着绝对零度(摄氏−273.15 ℃，注2 )下降，其效率将急剧下降，最终消失。 这是因为决定热电转换现象效率的电子系统的“熵”(热波动杂乱的程度)按照热力学第三定律(注5 )，最终在低温下为零(图1 )。 由于这个问题，迄今为止热电现象的应用仅限于高温区域(典型的为室温以上)。

但是有趣的是，物质中有能够在超低温区域保持高熵的承担者。 那就是原子核所具有的自转性质“核自旋(注1 )”。 核自旋与电子自旋相比，具有压倒性的低能量，在接近绝对零度的低温区域也可以持续波动(图1 )。 那么，不能使用“核自旋”引起热电转换吗？ 本研究以证实以核自旋为动力源的新热电转换现象“核自旋-塞贝克效应”为目的。

【研究内容】 为了证实基于核自旋的热电转换，应该使用什么样的物质呢？ 从热电转换的观点来看，核自旋的熵大这一点非常有趣，但与以往的电子自旋不同，自旋的极化率(注1 )极小，难以通过外部磁场控制其自旋方向( s极和n极的方向)。 也就是说，一般情况下，核自旋不能像以前的电子自旋那样处理。 因此，本研究着眼于碳酸锰( MnCO3 )这一物质。 MnCO3是由具有较大核自旋( I = 5/2)的55Mn原子核构成的磁铁材料，已知具有非常强的核自旋和电子自旋的相互作用。 通过这种相互作用，不仅核自旋极化率增大，其自旋方向也可以通过外部磁场进行控制。

在实验中，使用了在MnCO3上成膜了铂( Pt )的试料(图2(b ) )。 如果对该结构赋予温度差，MnCO3的55Mn核的自旋涨落会在MnCO3/Pt界面产生自旋性质的流动(磁通)，即“自旋流”(图2(b ) )。 通过Pt中被称为“逆自旋霍尔效应(注6 )”的相对论效应，成功地将由此产生的自旋流检测为电压。 令人惊讶的是，我们发现电压信号的强度增大到超低温0.1开尔文( −273.05 ℃) (图3(a ) )，并且信号在强磁场区域( 14特斯拉)也不受抑制(图3(b ) )。 这可以说是在这样的极限环境下，具有高熵的核自旋特有的性质显现出来的结果。 另外，他还表示，观测到的信号将通过引入MnCO3/Pt界面核自旋弛豫机制(科林哈机制)的自旋流理论进行定量再现(图2(a ) )。 科林哈弛豫(注7 )作为金属中核自旋的最基本的弛豫机制自古以来就为人所知，但通过本研究发现了它可以成为自旋流的生成源。

【研究的学术和工程学意义以及今后的展望】 本研究可以说是连接核自旋科学和热电领域的首次研究。 物质中原子核所具有的核自旋基于其安全性、低能量性、长相干特性(注8 )，成为核磁共振( NMR )和核磁共振成像( MRI )法的基础要素，一直被物理学、化学、医药学等广泛领域的研究者用作分析工具。 另外，最近作为量子计算机技术中承担量子信息的载体也备受瞩目。 另一方面，热电领域作为承担下一代清洁能源技术根基的领域，正在世界范围内进行研究，但迄今为止还没有嵌入核自旋。 本研究开辟了融合这些独立研究领域的道路，可以说开辟了新的学术领域“核自旋热电科学”的开端。 并且，通过本发现，诞生了核自旋不仅是分析的工具，其自身还可以成为电和电流的生成源这一新的模式。 另外，本研究发现的核自旋-塞贝克效应是在绝对零度附近的超低温区增大的热电转换现象，这是与基于电子的传统热电转换不同的特性。 本现象可以发展为量子信息技术和宇宙利用技术不可缺少的、在绝对温度4开尔文( −269.15 ℃)以下的低温区域工作的功率器件、热传感器、冷却技术。 可以说通过本研究，得到了低温区域热利用技术的新观点。

另外，通过此次研究，我们发现了一种新的利用核自旋的自旋流生成机制——界面科林哈机制。 作为电子自旋学领域(注3 )基础的自旋流生成控制法的开拓是该领域的普遍主题，也是世界性关注的主题。 基于界面科林哈机制，可以直接通过自旋流提取核自旋所具有的巨大熵，最终转化为电力。 本研究成果开拓了以往无法实现的、将核自旋所具有的角动量自由地向外部取出或转换为能量的新科学技术的可能性。

研究支援

本研究在科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业ERATO齐藤自旋量子整流项目( No. JPMJER1402 )、科学研究费补助金( No. 19H05600，No. 19K21031，No. 20H02599、No. 20K22476、No. 20K15160、No. JP26103005 )、东京大学卓越研究员制度等的支持下进行。

４．発表杂志：

杂志名：「Nature Communications」

論文标题：Observation of nuclear-spin Seebeck effect

著者：T. Kikkawa*, D. Reitz, H. Ito, T. Makiuchi, T. Sugimoto, K. Tsunekawa, S. Daimon, K. Oyanagi, R. Ramos, S. Takahashi, Y. Shiomi, Y. Tserkovnyak, and E. Saitoh

DOI号：10.1038/s41467-021-24623-6

摘要：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24623-6

5.主讲人: 吉川贵史(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业助教/东北大学材料科学高等研究所同金属材料研究所助教[研究开始时] ) 斋藤英治(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业教授/东北大学材料科学高等研究所教授)

6 .用语解说:

(注1 )自旋(核自旋、电子自旋) 类似于构成原子的电子或原子核所具有的自转的性质。 自旋的状态有向上和向下两种状态。 如果电子自旋的方向全部在相同方向一致( =自旋极化)，物质就会显示磁铁的性质。 原子核所具有的自旋即核自旋，由于熵(波动)大，自旋的极化率(极化程度)小，因此无助于物质作为磁铁的性质。 另一方面，基于其低性能、长相干性(注8 )，成为在医疗现场等使用的核磁共振成像( MRI )法的基础要素。

(注2 )绝对温度、绝对零度、摄氏 分子和原子的运动在理论上完全冻结的温度称为绝对零度( 0 K，零开尔文)，换算为摄氏(塞尔修斯温度)时为-273.15 ℃。 绝对温度T (K )和摄氏t (℃)的关系由T (K ) = t (℃) + 273.15给出。

(注3 )自旋电子学 是指研究开发利用作为电子磁性性质的自旋进行动作的全新电子元件(磁存储器、晶体管、二极管等)的领域。

(注4 ) (电子)旋转塞贝克效应 与磁铁上的温度梯度平行地产生自旋流的现象。 在产生该自旋流的地方安装金属时，自旋流会流入金属中，通过逆自旋霍尔效应(注6 )转换为电压。 作为利用自旋流的新的热电转换现象备受期待。

(注5 )热力学第三定律 是处理物质热和输运现象所伴随的力学的“热力学”这一物理学基础理论的基本定律之一，是在绝对零度(注2 )下熵消失的定理。

(注6 )逆自旋孔效应 在与自旋流流动的方向垂直的方向上产生电压的现象。 由于电子的自旋和轨道的相互作用，向上自旋的电子和向下自旋的电子向彼此相反的方向散射而产生。 作为连接自旋信息和电信息的现象，自旋电子学领域很重要。

(注7 )缓和科林哈 它是金属中核自旋弛豫(核自旋状态的变化)的机制，来源于核自旋与传导电子自旋的相互作用。 在柯林哈弛豫中，被核自旋散射的传导电子的自旋方向发生反转。 1950年由物理学家科林哈提出理论。

(注8 )长相干性 自旋的岁差运动所具有的相位信息一般会通过散射等而消失，但众所周知，在核自旋的情况下，相位信息的保持时间较长。

7 .附件

图1热电转换现象及其在高温域·超低温域的动作的示意图 塞贝克效应是最具代表性的热电转换现象，是当对金属和半导体赋予温度差时，沿着温度的梯度产生电流(电压)的现象。 另一方面，自旋塞贝克效应是当磁铁具有温度梯度时，磁铁内部的电子自旋的波动传递到相邻的自旋，从而产生自旋流(磁流)的现象。 在产生该自旋流的地方安装金属时，自旋流会流入金属中，最终通过逆自旋霍尔效应(注6 )转换为电压，因此实现利用自旋流的热电转换。 然而，在接近绝对零度(注2 )的低温区域中，塞贝克效应的情况下，驱动电流的载流子冻结，从而信号消失，电子自旋塞贝克效应的情况下，驱动自旋流的自旋波动冻结，从而信号消失。 另一方面，本研究着眼的核自旋I是构成物质原子的原子核所具有的自旋，与电子系统相比，可以以极低的能量波动。 通过这次研究，发现了将该核自旋的热涨落(熵)作为自旋流取出，最终转换为电压的现象-核自旋-塞贝克效应-。

图2核自旋、科林哈弛豫、核自旋塞贝克效应实验示意图

( a )核自旋的状态( Iz )通过与传导电子具有的自旋(电子自旋)的相互作用而发生变化(科林哈弛豫，注7 )。 通过此时产生的散射，传导电子的自旋方向反转，从而生成自旋流。 通过本研究表明，这是核自旋-塞贝克效应的原理。

( b )核自旋-塞贝克效应测量的示意图。 如果向碳酸锰( MnCO3 )与铂( Pt )接合的试料施加温度梯度t，接合界面的55Mn核自旋和Pt的传导电子自旋之间会产生胆碱能弛豫，生成自旋流Js。 流入Pt层的自旋流被转换为与自旋极化方向s和自旋流流动的方向Js都正交的方向的电压v，最终进行电检测。

图3碳酸锰MnCO3/铂Pt结试样的核自旋-塞贝克效应的实证实验 ( a )电动势系数的温度依赖性。 可以看出，朝向绝对零度零开尔文( 0 K )，电动势系数V/Irms2增大。 在这里，纵轴是将观测到的电压v用施加给试料的热流(与电流Irms的平方成比例)进行标准化的量。 ( b )绝对温度0.1开尔文( −273.05 ℃)下的电动势系数V/Irms2的磁场依赖性。 信号在强磁场区域的14特斯拉( t )中也未被抑制，明显残留。 这是与以往基于电子自旋的自旋-塞贝克效应完全不同的结果。 绿色和蓝色的●表示实验结果，实线是基于胆碱能弛豫的核自旋-塞贝克效应的计算值。 可见实验结果得到了定量再现。 新闻发布会正文:/shared/press/data/set NWS _ 202107261409014299427347 _ 167754.pdf