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研究者紹介

燃料デブリ溶出挙動評価に向けた

スピン流注入による流体運動

先端基礎研究センター スピンーエネルギー変換科学研究グループ
松尾 衛

私たちの身の回りの物質中に存在する電子は、「スピン」と呼ばれる自転運動をしていることが分かっています。この自転運動は、宇宙の始まりから終わりまで永久に途絶えることはなく、電子はこの自転運動のために小さな磁石としての性質を持ちます。つまり、電子は永久に回転し続けるモーターであると同時に磁石なのです。この「スピン」の性質は、図1のように、電子を「小さな棒磁石に回転歯車が合体したもの」だと考えると、イメージしやすくなると思います。

(図1. 磁気の性質と自転運動の性質をイメージするための図。電子は右上図のように棒磁石と回転歯車が組み合わさっているものと考える。通常は自転方向がバラバラのためエネルギーを取り出せないが、液体金属に圧力をかけて流れを作ると渦運動が生じ、渦運動と電子の「回転歯車」がうまくかみ合って自転の向きを一斉に揃えることができ、電気エネルギーが取り出せる。)

通常の物質中では電子の自転運動の向きがバラバラのために、モーターの性質も磁石の性質も打ち消し合ってしまい、我々はスピンの性質を利用できません。一方で、鉄のような特殊な物質中では電子の自転運動の向きが揃っているため、磁気を帯びています。同時に鉄が帯びている磁気の大きさを変化させると、鉄を回転させることができます。この現象は、約100年前にアインシュタインによって発見されました(アインシュタインは理論家として知られていますが、「生涯唯一の実験」として知られる有名な実験によってこの現象を発見しました)。

鉄のような特殊な物質中ではスピンの向きが揃っているので、鉄は磁石としての性質を持ちますが、通常、私たちの身の回りの物質中の電子たちのスピンの向きはバラバラなので、モーターや磁石としての性質は互いに打ち消されており、直接利用することはできません。

ところが、近年、ナノテクノロジーの発展に伴って、物質中の電子たちのスピンを一斉に揃えながら電子の流れを作り出す技術が実現しました。この流れは「スピン流」と呼ばれ、「電流」が電気の流れであったのに対して、「スピン流」は磁気の流れといえます。これまでにスピン流を用いた様々な次世代デバイス研究開発が世界中で進められていますが、スピン流を生成するために利用されてきた物質は固体に限られてきました。

私たちは水銀やガリウム合金のような液体金属で、金属の流れによって生じる渦運動とその金属中の電子のスピンが相互作用し、スピン流を生成できることを理論計算により発見しました。また、実際に直径数百ミクロンの細管に液体金属を流すことで、渦運動によってスピン流が生み出された結果100ナノボルトの電気信号が得られることを明らかにしました(図2)。この研究成果は、これまで利用されてきた固体材料ではなく、液体材料を用いてスピン流を生みだした世界初の成功例として注目を集め、複数の一流雑誌において解説記事が掲載されました。

(図2. 液体金属流によって生じた電圧Vの時間依存性。液体金属流を生じさせるために時刻0secから10secまでの間、圧力を印加しており、圧力の印加中のみ電圧が生じる。印加した圧力(0.1MPaから0.6MPa)を大きくすると取り出せる電圧も大きくなる。)

今回発見した新しい発電法は、従来の発電機のタービンのような構造物を一切必要としないので、発電装置の超小型化を可能にすることが期待されます。

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