全球首次观测成功!改变电流方向即可进行冷热控制

新技术 2018年06月01日
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日本国立研究开发法人物质材料研究机构(NIMS)与日本东北大学通过共同研究,观测到了只需在磁性材料中改变电流方向即可进行加热或冷却的热电转换现象“磁各向异性珀尔帖效应”,这是全球首次成功观测到该现象。

<研究概要>

1.NIMS与东北大学共同观测到了只需在磁性材料中改变电流方向即可进行加热或冷却的热电转换现象: “磁各向异性珀尔帖效应”,这是全球首次成功观测到该现象。为了通过热电转换现象实现加热或冷却,此前一直采用接合两种不同物质的构造。此次通过研究验证了新功能,即在未接合其他物质的单一物质中,仅通过其自身的磁性就能进行热控制。尽管这是磁性材料的基础热电转换现象,但此前一直未能观测到这种磁各向异性珀尔帖效应,随着首次成功确认这一现象,有望进一步促进热电转换的基础应用研究。

2.在金属和半导体中,电和热可以相互转换。这种现象被称为热电效应,具有代表性的例子就是通过电流进行加热或冷却的“珀尔帖效应”。珀尔帖效应虽然是在约200年前发现的现象,但为了进一步实现计算机的节能化等,目前全球仍在推进旨在提高热电转换效率和通用性的研究。

3.此次以NIMS为中心的研发小组利用名为“锁相热成像法”的热测量技术,详细测量了磁性材料中有电流流过时的温度变化。观察发现,根据磁性材料的磁化方向和电流流动方向构成的角度,珀尔帖效应的性能会发生变化。在磁性材料中,通过电子的自旋(磁性)效应将温度差转换为电力的塞贝克效应会随着磁化方向发生变化,这种现象以前就已经发现,但其逆向过程,即各向异性磁珀尔帖效应则是在此次研究中首次被观测到。

4.利用磁各向异性珀尔帖效应,只需改变磁性材料中电流的流动方向,或者形成不同的磁化分布,就能通过热电效应实现温度控制,无需接合两种不同物质。今后计划探索和开发具有强大的磁各向异性珀尔帖效应的磁性材料,将其应用于有助于提高电子设备效率,实现节能化的热管理技术。

5.本研究由日本物质材料研究机构 (NIMS) 磁性自旋电子学材料研究基地自旋能源小组的内田健一组长和井口亮研究员,与东北大学材料科学高等研究所金属材料研究所的研究生大门俊介(现为东京大学助教)及教授齐藤英治(现为东京大学教授)共同完成。另外,本研究获得了JST战略性创造研究推进事业CREST (JPMJCR17I1)、JSPS科学研究费补助金基础研究(A) (JP15H02012)的支援。

6.此次的研究成果已于日本时间2018年5月22日0时 (英国时间5月21日16时)发表于英国科学杂志《自然》的在线版上。

观测到的磁各向异性珀尔帖效应

图1:观测到的磁各向异性珀尔帖效应

文 客观日本编辑部

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