ダイナミックな電子が効率よく熱を電気に変換する～近藤効果が熱電材料の性能を向上させるメカニズムを実験的に解明～

2025-10-22 豊田工業大学

豊田工業大学と分子科学研究所の共同研究チームは、角度分解光電子分光法により、熱電材料における電子散乱のエネルギー依存性を初めて実験的に可視化した。対象物質は近藤効果を示すYbCu₂Si₂で、電子散乱の変化が熱電性能向上に寄与することを確認。従来は状態密度のみで説明されていた異常熱電特性を、電子散乱の観点から解明した。本成果は、電子の緩和時間を指標に「動的電子」が効率的に熱を電気へ変換する仕組みを実証し、理論予測を裏付けるもの。今後は多様な材料への応用を通じて、電子散乱を制御した高性能熱電材料の開発とエネルギー回収技術の社会実装が期待される。研究成果は『Applied Physics Letters』誌に掲載。

図1. 角度分解光電子分光の概念図（左）と今回の実験で得られたYbCu₂Si₂における電子のエネルギーと運動量の関係（右）。

＜関連情報＞

重い電子系の熱電現象を支配するエネルギー依存散乱の証拠
Evidence for energy-dependent scattering dominating thermoelectricity in heavy fermion systems

Daiki Goto;Kentaro Kuga;Kiyohisa Tanaka;Tsunehiro Takeuchi;Masaharu Matsunami
Applied Physics Letters Published:October 20 2025
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0291138

In the field of thermoelectric materials and devices, improving energy conversion efficiency remains a long-standing challenge. As a promising approach to address this issue, utilizing energy-dependent electron-scattering beyond the ordinary constant relaxation time approximation (CRTA) has been proposed. However, direct experimental evidence for an energy-dependent scattering reflected in the Seebeck coefficient is still lacking. Here, we demonstrate using angle-resolved photoemission spectroscopy that the relaxation time of heavy fermion quasiparticles is highly dependent on the energy near the Fermi level. The observed energy dependence of the relaxation time is due to the coherent Kondo scattering, describing the sign of the Seebeck coefficient reasonably well, which cannot be deduced from CRTA. Our findings provide not only deeper insight into the understanding of thermoelectricity in correlated materials but also future perspectives on possible orbital-selective engineering of thermoelectric materials.