電子の自転「スピン」を用いたエネルギー変換技術

東北大学金属材料研究所東北大学原子分子材料科学高等研究機構（ＷＰＩ－ＡＩＭＲ）

ERATO 齊藤スピン量子整流プロジェクト総括齊藤英治

本日の内容

▶エネルギー技術の根幹「整流」とは？

▶電子の自転「スピン」とは？

▶スピンの流れ「スピン流」とは？

▶スピン流の物理法則の発見

▶スピンによる整流効果 – 新しい発電原理の発見-

電子の自転「スピン」の物理法則を活用した、全く新しいエネルギー技術を開拓する。

本日の内容

身近なエネルギー「熱」を利用するにはどうすればよいか？

冷たい気体（空気）熱い気体（空気）

熱い固体

熱の利用技術の開発はエネルギー問題や環境問題の解決に不可欠

「整流」とは何か？

▶ 熱とは、原子や分子のランダムな運動 ⇒ 最もありふれたエネルギー

身の周りに溢れる熱エネルギー

未利用の資源人工の熱

自然の熱

新しいエネルギー変換

「整流」とは乱雑な運動から一方向の運動を取り出すこと

最古の熱機関：Heron Alexandrinus の蒸気機関（古代アレクサンドリア）ワットの蒸気機関（１７６９）

機械的な整流、物質の組合せによる整流、他には？

電子の自転「スピン」を使うとどうなる？

本日の内容

「スピン」は、電子が持つ自転的な性質

「スピン」とは何か？

アップ（上向き）スピンダウン（下向き）スピン

回転軸の向き（矢印）が回転方向を表わす。

「スピン」は、磁石の起源

多数の電子がスピンを揃えていると、磁石になる。

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

Ｎ極

Ｓ極

「スピン」は、首振り運動（歳差運動）をする。

回転している物に力が加わると、歳差運動（首ふり運動）をする。

歳差方向（首ふりの方向）は、物体の回転方向によって決まる。

↑ コマを回す向きを変えると、首ふり方向が反転する ↑

「スピン」は、止まらない回転である。

電子のスピンは、止まることがなく、一定の回転数ℏ/2（ℏ～1.054×10-34Js）で内部磁場に対して反時計回りだけに回り続ける。

電子スピン（止まらない）

磁場

コマ（やがて止まる）

磁場スピンの歳差運動

スピンの運動は、特定の方向しか回らない

本日の内容

スピン流（電流のスピン版）：スピンの流れ

「スピン流」とは何か？

物質

電気電流

電気

スピン

電子

スピン流

１ミリの千分の１くらいで消えてしまう。

「ナノテクノロジー」：

１ミリの１０万分の１くらいの世界を扱う技術

によって観測可能に。

試料の端まで届く

本日の内容

電流の基礎法則は「アンペールの法則」と「ファラデーの法則」

「スピン流」の基礎法則

「アンペールの法則」電流が流れると磁場ができる

磁場

電流

ファラデーの電磁誘導磁場が変化すると電流が流れる

電流の周りの砂鉄マイケル・ファラデー（1791-1867）

スピン流にも対応した基礎法則があるはず。

電流の基礎法則

磁場

電流

アンペールの法則電流→磁場

電磁誘導磁場→電流

スピン流の基礎法則

スピン流の基礎法則の発見！

磁場

電流

電磁誘導

磁場→電流

スピンポンピング

磁化運動

逆スピンホール効果スピン流→電場

電場

スピン流

→スピン流

スピン流の基礎法則は角運動量保存則として理解できる。

http://www.youtube.com/watch?v=NDH3Uo99K2M

物理法則：（等方的世界では）回転の総量は変わらない。

どこかの回転量が減ったとき、必ず他のどこかの回転量が増えている。

スピン流の基礎法則の発見！

磁場

電流

電磁誘導

磁場→電流

スピンポンピング

磁化運動

逆スピンホール効果スピン流→電場

電場

スピン流

→スピン流

本日の内容

磁場スピンの歳差運動

スピンは歳差運動するが、特定の方向しか回らない

温度が低いとき温度が高いとき

熱ゆらぎ

熱ゆらぎによる一方向歳差運動

問題意識新しいエネルギー変換

←磁性体中のスピン運動は一方向

スピンポンプ

一方向磁化歳差 →スピン流

Spin current

スピンポンプ

一方向磁化歳差 →スピン流

Spin current

逆スピンホール効果

スピン流→電圧

自然からエネルギーを取り出せる？

仕事

ファインマンラチェットのパラドクス

ひとりでに回ってしまうのでは？（「熱力学の第二法則」に反するような錯覚）

気体分子

リチャード・ファインマン (1918-1988)

もし温度差があれば、自発的に回ってもよい

スピンの「ラチェット」を使って、熱から電気を作る方法

磁石金属

電圧

温度差磁化

磁石の温度：（スピンのゆらぎの大きさ）

金属の温度：（電子のゆらぎの大きさ）

生成されるスピン流

スピンの「ラチェット」が熱揺らぎを整流

スピンゼーベック熱電素子の実現に向けて

やわらかい発電シートを作れる

フィルム上にめっきし発電シートを作る

塗布技術を応用すれば大面積からの熱電変換が可能に！

絶縁体に取り付けた金属膜に温度差に比例した電圧が生じる

YIG基板

Pt薄膜

試料サイズ： YIG基板: 6 mm x 2 mm x 1 mm Pt薄膜: 6 mm x 0.5 mm x 15 nm

電圧計

この原理で、いろいろなものから発電可能なはず

化学反応から発電

生体の運動から発電

X線ガンマ線

中性子

放射線から発電

電源、センサー

放射線測定

光から発電

ソーラーセル、センサー

新しい発電の原理

磁石金属

流体渦による「磁場勾配」→スピン流を作る

流れの渦の勾配＝磁場の勾配

スピン流を作る

スピン流体発電の発見（流体運動からスピン流・電圧）

流体の渦が有効磁場として働き、液体中にスピン流を流して発電する。

流体の機械的運動から、スピン流を介した発電のメカニズム。スピン流体発電（ＳＨＤ）

magnet

Hg magnet

マイクロ機械との融合により多種の応用が開ける

スピン流と機械運動

using device

古典的整流 (18世紀産業革命)

まとめと展望

量子整流

rectification

using device

古典的整流 (18世紀産業革命)

Inside matters

まとめと展望新しいエネルギー変換

電子の自転「スピン」を用いた新たなエネルギー技術

▶ エネルギー技術の根幹は、ランダムな運動から「利用できる一方向

の運動」として取り出す「整流」である。

▶電子の「スピン」は、一方向の回転である。

▶スピンをミクロな整流器として利用することで、新たなエネルギー変

換原理が発見された。熱、光、音などから、電力・運動を取り出すこ

とができる。

まとめ

New Spin Paradigm Opening the new horizon of spin science combining all electrons properties:

charge, magnet momentum, and angular momentum. We are at the front line of spin science.

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