スピントロニクス技術を応用した新たなナノ流体デバイスへ道
2020-06-16 科学技術振興機構,日本原子力研究開発機構,お茶の水女子大学,東北大学,理化学研究所,東京大学
ポイント
- マクロな液体運動と極小の電子との相互作用でスピン流が生成される「スピン流体発電現象」をエネルギー変換に活用するには、液体が流れる構造の微細化とエネルギー変換効率の向上が求められる。
- スピン流を介した流体発電現象の微細流路での特性を解明し、微細流路では流量の小さい領域の発電効率は大きい領域のおよそ１０万倍向上することを発見した。
- スピントロニクス技術を応用したナノ流体デバイスや微細な流れを用いた流速計への応用が期待される。
ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業において、ＥＲＡＴＯ齊藤スピン量子整流プロジェクトの髙橋 遼 研究協力員（研究開始時 日本原子力研究開発機構 博士研究員、現 お茶の水女子大学 助教）、中堂 博之 サブグループリーダー（日本原子力研究開発機構 副主任研究員）、松尾 衛 グループリーダー（研究開始時 日本原子力研究開発機構 副主任研究員、現 中国科学院大学 准教授）、前川 禎通 グループリーダー（理化学研究所 上級研究員）、齊藤 英治 研究総括（東京大学教授）らは、電子の自転の流れであるスピン流を介した流体発電現象のマイクロメートルスケールの微細流路における特性を解明し、微細になるほど発電効率が飛躍的に向上することを発見しました。
微細流路で流れは層流と呼ばれる状態になり、微小な渦のような液体運動が流路全域に広くなだらかに分布します。このことが、より微細化に適した特性と発電効率の増大につながっています。スピン流を介した流体発電現象の基礎理論は松尾グループリーダーらが２０１７年に予言しており、本研究ではこの流体発電現象の実験的実証を層流領域において実現しました。実験の結果、層流領域では発電効率がおよそ１０万倍向上することが確認されました。
本研究成果により、スピン流を介した流体発電現象は微細化により特性が大きく向上することが示唆されます。また、流路の内部および外部に付加装置を必要としません。このため、スピントロニクス技術を取り入れたナノ流体デバイスや微細な流れを用いた流速計などに応用できると期待されます。
本成果は２０２０年６月１５日（英国時間）に英国科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」でオンライン公開されました。
本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究（ＥＲＡＴＯ）
研究プロジェクト：「齊藤スピン量子整流プロジェクト」
研究総括：齊藤 英治（東京大学 大学院工学系研究科 教授）
研究期間：平成２６年１１月～令和２年３月
上記研究課題では、電子スピンが持つ整流性に注目し、これを基礎とした物質中のゆらぎの利用原理の構築と、スピンを用いた新たなエネルギー変換方法の開拓を目指します。
＜論文タイトル＞
- “Giant spin hydrodynamic generation in laminar flow”
（層流における巨大スピン流体発電） - ＤＯＩ：10.1038/s41467-020-16753-0
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
齊藤 英治（サイトウ エイジ）
ＥＲＡＴＯ 齊藤スピン量子整流プロジェクト 研究総括
東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 教授
東北大学 材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）／金属材料研究所 教授
日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センター スピンエネルギー変換材料科学研究グループリーダー
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
古川 雅士（フルカワ マサシ）
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部
＜報道担当＞
科学技術振興機構 広報課
日本原子力研究開発機構 広報部 報道課
お茶の水女子大学 企画戦略課 広報担当
東北大学 材料科学高等研究所 広報戦略室
理化学研究所 広報室 報道担当
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
