固体中の磁気モノポールのゆらぎが生み出す巨大熱電効果を実証

熱から電気をエネルギーとして取り出す熱電効果は、廃熱の再利用や、排ガスを伴わない環境に優しい発電方法という観点から注目されてきた。その効率を上げるために様々な手法が確立されてきたが、近年急速に発展した概念である「磁気構造のトポロジー」を高効率な熱電変換へ応用した例はこれまでに報告されていなかった。

今回、東京大学工学系研究科の藤代有絵子大学院生と金澤直也助教、理化学研究所創発物性科学センターの十倉好紀センター長らの研究グループは、トポロジカル磁気構造体を持つ化合物「MnGe（Mn：マンガン、Ge：ゲルマニウム）」において、大きな熱電効果を発見した。

また、東京大学工学系研究科の石坂香子准教授ら、理化学研究所創発物性センターの有田亮太郎チームリーダーと田口康二郎チームリーダーら、東京大学物性研究所の徳永将史准教授ら、東北大学金属材料研究所の淡路智教授と塚﨑敦教授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。

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見られ、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、研究グループで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。研究グループによると、研究成果により、磁気構造のトポロジーを利用した全く新しい高効率熱電変換の原理を提唱することで省エネルギー問題に貢献することが期待できるという。