Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

熱と電気は通常、同じ方向に共に移動するパートナーであると考えられています。金属棒の一端を加熱すると、電気は熱い側から冷たい側へと流れます。しかし、物理学には、川が風に吹かれて横方向に流れるように、熱と電気が互いに直角方向に強制的に動かされるという特別なトリックがあります。「ネルスト効果」として知られるこの現象は、かさ高い機械を必要とせずに、廃熱を有用な電気に変換するための強力なツールとなります。科学者たちは、この現象が起こる主な2つの方法を古くから理解してきました。一つは外部の磁石が電子を押すことに依存しており、もう一つは材料自体の内部的な磁気秩序に依存しています。数十年間、支配的な説では、材料が永久磁石としての性質を失った瞬間に（これはキュリー温度と呼ばれる特定の温度で起こります）、この内部的なバージョンの効果は消失するというものでした。もし磁気秩序が消失すれば、その効果も共に消えてしまうと予想されていたのです。

日本の物質・材料研究機構（NIMS）と東京大学の研究チームは、この長年の仮説に挑戦しました。マンガン、クロム、アンチモンからなる特定の材料群を研究することで、彼らは、材料が永久磁石であることをやめたとしても、ネルスト効果は単純にオフにはならないことを発見しました。実際、この効果は材料が磁性を失う直前の温度付近で最も強くなるのです。研究者たちは、通常の磁気信号は、この臨界点において完全に消失する一方で、原子スピンの混沌とした揺らぎによって駆動される異なる種類の信号が強く残ることを発見しました。この発見は、無秩序な状態におけるスピンの落ち着きのない、小刻みな動きが、整然とした磁場と同じくらい効果的に発電を駆動できることを示唆しています。

この隠れた挙動を見出すために、チームはMn1-aCraSbという組成を持つ一連の多結晶試料を作成し、クロムの量を慎重に調整することで、材料が磁性を失う温度を変化させました。彼らは高純度の元素を共に溶かし、粉末にしてから、放電プラズマ焼結と呼ばれる技術を用いて固体の棒状にプレスすることで、これらの材料を合成しました。得られた棒は六方晶の構造を持ち、不要な不純物を含まず、クロムの含有量に応じてキュリー温度は約295ケルビンから480ケルビンの範囲にありました。研究者たちはネルスト効果を測定しようとしましたが、課題に直面しました。固体ブロックの中でこの効果を直接測定することは、熱が混乱を招くような形で材料を伝わって漏れてしまうため、困難だからです。これを解決するために、彼らは「ロックイン熱画像法」と呼ばれる巧妙な間接法を用いました。電気を直接測定する代わりに、試料に電流を流しながら磁場を印加しました。すると、エッティングハウゼン効果と呼ばれる関連した効果により、試料が特定のパターンで発熱しました。赤外線カメラを使用して試料表面の温度波を観察することで、他の熱ノイズの干 interference（干渉）を受けることなく、ネルスト効果が正確にどの程度の強さであるかを算出することができました。

結果は驚くべきものであり、かつ明確でした。試料を加熱するにつれ、研究者たちはネルスト信号がどのように変化するかを観察しました。典型的な磁性材料では、材料が磁性を失った瞬間に信号はゼロに落ち込みます。しかし、これらのマンガン・クロム・アンチモン試料においては、ネルスト信号は消失しませんでした。材料が磁性状態から非磁性状態へと移行しても、信号は有限の値を保っていました。実際、信号はキュリー温度のすぐ近くで明確なピークを示しました。同時に、研究者たちは異常ホール抵抗率（磁性材料において通常ネルスト効果と完璧に連動する特性）を測定しました。しかし、この特性は予想通り、キュリー温度で正確にゼロに低下しました。この不一致はパズルを生み出しました。ネルスト効果は依然として活発に機能しているのに、通常の磁気的な駆動力が失われていたのです。

チームは、いくつかの一般的な説明を排除しました。熱を運びますが電気は運ばない「マグノン」と呼ばれる微小な磁気粒子がこの効果を引き連れているのではないかと検討しましたが、計算の結果、マグノンはこれらの高温域では影響力を失うことが示されました。また、責任を負う可能性があるエキゾチックな磁気テクスチャや特異な電子構造についても調査しましたが、データはそれらの考えを支持しませんでした。代わりに、研究者たちは、その原因は「スピンの縦方向の揺らぎ」であると提案しました。磁性材料において、電子のスピンは通常、一定の方向を向いています。材料がキュリー温度に向かって加熱されると、これらのスピンは揺らぎ始めます。ほとんどの理論はスピンが横方向に揺れることに焦点を当てていますが、研究者たちは、スピンそのものの方向における揺らぎがネルスト効果を駆動していることを見出しました。彼らはこの縦方向のスピン揺らぎという概念に基づいた理論モデルを構築し、それが実験で観察されたピーク挙動を完璧に再現することを確認しました。

この発見は、熱を電気に変換するという科学者の考え方を変えるものです。強い横方向の熱電効果を生み出すために、完全に秩序だった磁気状態は必ずしも必要ではないことを明らかにしました。キュリー温度付近の混沌としたスピンの揺らぎの状態は、行き止まりではなく、エネルギー変換のための強力なエンジンなのです。この効果は室温を十分に上回る温度域で作動するため、産業プロセスやエンジンからの熱をより効率的に回収できる熱電デバイスを設計するための新しい可能性を開きます。この研究は、原子や電子の落ち着きのない動きが、しばしば無秩序の源と見なされるものですが、それが有用な電流を生み出すために利用できることを示しており、エネルギー技術を向上させるための新たな道を提示しています。