絶縁体から電気エネルギーを取り出す手法

東北大学および日本原子力研究開発機構らによる研究グループは、温度差をつけた絶縁体から電気エネルギーを取り出す手法を発見したことを明らかにした。
金属や半導体に温度差をつけると温度の勾配に沿って電圧が発生する現象「ゼーベック効果」を利用した熱電変換素子がエネルギー源として注目されつつある。しかし、この現象は導電体中でしか生じず、ジュール熱や素子内部の伝導電子を介した熱伝導によるエネルギーロスが発電効率を下げてしまうほか、コストや設置可能箇所の制約により、実用化範囲は限定されていた。
今回、研究チームでは絶縁体である磁性ガーネット結晶を用いて、温度差によって電子の磁気的性質「スピン」が流れる現象「スピンゼーベック効果」が絶縁体中で生じることを発見。絶縁体中で生じたスピンの流れを、絶縁体に金属薄膜を取り付けることで電気エネルギーに変換できることを明らかにし、これらの2つの原理を用いることで、従来は不可能だった絶縁体ベースの熱電変換素子を作ることを可能とした。
具体的な手法としては、絶縁体である磁性ガーネット薄膜の表面にPt電極薄膜を付けた素子を作製、絶縁体層に温度差をつけながらPt電極に発生する電気信号の精密測定を実施した。この測定に基づき検出された電圧信号が絶縁体中のスピンゼーベック効果に由来することが明らかとなり、絶縁体熱電変換素子のプロトタイプを作製することに成功した。従来の金属や半導体を用いた熱電素子は、ウィーデマン・フランツ則と呼ばれる物理法則による制約によって性能の向上には限界があると考えられてきたが、今回開発した素子を用いることで、原理的に同則による上限を超えることが可能になるという。
今回の成果である絶縁体熱電変換素子は、従来の熱電素子とは異なる物理原理によって駆動されるものであり、これを用いることで熱電性能指数改善に関する問題を根本的に解決する可能性がでてくることとなる。その結果、熱電素子の設計自由度や設置可能場所の拡大、および環境に配慮した電力技術開発への発展が期待される。絶縁体ベースの熱電変換素子によって様々な従来あった問題を解決する道が開かれる可能性が高い感じですね。更なる研究を進めて欲しいですね。