東北大ら，液体金属流による発電に成功

JST戦略的創造研究推進事業において，東北大学，日本原子力研究開発機構，東北大学らは，液体金属中の電子の自転運動を利用した新しい発電法を発見した（ニュースリリース）。

電子は，電気と磁気の２つの性質を持っており，磁気の起源は「スピン」と呼ばれる電子の自転運動であることが知られている。近年，電気の流れだけでなく，ミクロの世界における電子の自転運動を制御することによって，「スピン流」と呼ばれる磁気の流れを生み出すことが可能になった。

スピン流を流す際に発生する熱量は，電流と比較して極めて小さいことが知られており，電子デバイスへのスピン流利用は，次世代省エネルギー電子技術として注目されている。

スピン流の生成制御には，電子のスピンの相互作用を利用する必要がある。電子スピンは，電磁場，熱，音波などと相互作用することが知られており，これらの相互作用を通してさまざまな形態のエネルギーをスピン流に変換する技術が確立されてきた。

しかし，スピン流の利用は固体物質中に限られており，液体金属のような流体でスピン流を生成できるかどうかは不明だった。

一方，コンピューターの消費電力の増大や発熱を解消する方法のひとつとして，液体金属の利用が検討されている。これは固体の金属導線を液体金属に置き換えることで，流れる金属が電荷を効率的に運びながら熱を吸収でき，消費電力の低減と排熱能力の向上が期待されているため。

こうした背景から，研究グループは，液体金属中でスピン流を生成させ，それを制御することができれば，スピンと液体金属と両者のメリットを兼ね備えた全く新しい省エネルギーデバイスやエネルギー変換・利用技術が実現できると考えた。

研究グループは，電子のスピンの相互作用に関する理論を世界に先駆けて開拓してきた。研究では，周囲の物体の振動や回転運動に影響されて，物体中を流れるスピンの現象を理論と実験の両面から研究し，流れる液体金属中に電子のスピン流を生み出す方法を見いだした。

この理論予想に基づいた実証実験を行なったところ，直径数百ミクロンの細管に液体金属を流す際に生じる液体金属の渦運動を用いて，その液体金属中にスピン流を生み出し，その結果生じる100ナノボルト（1000万分の1ボルト）の電気信号を取り出すことに世界で初めて成功した。

実証実験によって，電子のスピンが，液体金属の渦運動と量子力学的に相互作用することが世界で初めて証明された。従来の電子スピンの制御には固体物質を用いてきたが，電子スピン研究に液体金属を利用できることが明らかになった。

また，従来の流体発電では，タービンや磁石といった外部装置が不可欠となる。ところが，今回発見した手法では，電子の自転運動と流体渦運動との相互作用を利用するので外部装置が不要となり，原理的には超小型化が可能。

この実験で得られた電気信号は100ナノボルトと微弱だが，微弱な電力で駆動するナノロボットの電源装置への応用が期待される。また，得られる電気信号の強度が流体の速度（分布）に応じて変化することを利用して，ミクロンスケールの微小な領域における流体の速度を電気で観測する流体速度計の実現も期待できるとしている。