原研ら,強磁性体薄膜の熱電能を向上

日本原子力研究開発機構と広島大学は,高輝度シンクロトロン放射光を利用したスピン・角度分解光電子分光を用いて,強磁性ホイスラー合金薄膜中にスピン偏極したワイル粒子が存在することを明らかにした(ニュースリリース)。

近年,磁性体に熱流を印加した際に生じる異常ネルンスト効果が環境発電の観点から大きな注目を集めている。この効果は,磁性体に熱流を流す際に,温度勾配に直交する方向に電圧を生じる横型の熱電現象。しかし,実験手法が限られることとその困難さから,電子構造に関する実験的研究はほとんど行なわれてこなかった。

研究グループは,巨大異常ネルンスト効果が報告されているホイスラー合金Co2MnGaに着目し,広島大学放射光科学研究センター(HiSOR)のシンクロトロン放射光を利用したスピン・角度分解光電子分光実験を行ない,横熱電能と電子構造の対応関係を明らかにした。

一般に,角度分解光電子分光実験には超高真空中で平坦かつ清浄表面をもつ試料が必要となる。しかし,ホイスラー合金のバルク単結晶はその3次元的な結晶構造から,真空中で平坦な表面を得ることが難しく,これまでほとんど角度分解光電子分光実験が行なわれてこなかった。

そこで研究では,物質・材料研究機構(NIMS)と協力して,原子レベルで平坦な表面および大きな残留磁化を持つ高品質ホイスラー合金薄膜を作成した。薄膜試料の表面汚染を防ぐため,試料はポータブル真空輸送チャンバーによってNIMSから放射光科学研究センターHiSORに大気に晒すことなく輸送された。

実験の結果,Co2MnGa薄膜中にスピン偏極したワイル粒子が存在することを世界で初めて明らかにした。また,組成比をわずかに変化させた薄膜試料を複数作成し,電子構造と横熱電能の対応関係を調べたところ,ワイル粒子によって構成されるバンド分散がフェルミ準位に近づくにつれて横熱電能が系統的に上昇することがわかったという。

今回観測したCo2MnGa薄膜の横熱電能は最大で6.2μV/Kに達し,過去に報告されていたCo2MnGa薄膜の約2倍以上となっており,バルク単結晶試料の最高値にも匹敵した。これらの実験結果は第一原理計算によって再現され,ワイル粒子から構成されるバンド分散が巨大仮想磁場の源となり,横熱電能を増強していることを突き止めた。

研究グループは,今回の研究で得られた電子構造に関する知見を材料開発にフィードバックし,さらなる熱電能の増強に挑戦したいとしている。

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