1．背景
古典電磁気学によれば、電気の源となる起電力は磁場の時間変化によって生じます。この磁気と電気の結びつきが、ファラデーによって発見された誘導起電力で、電子の「電荷」に電磁場が働くことに起因しています。ファラデーの法則はその発見から現在に至るまで、様々な電気機器の動作原理として私たちの生活を支えています。近年、ナノテクノロジーの進展にともない、極めて微細な領域の磁気と電気の結びつきを詳しく調べることができるようになりました。この中で、電子のもう一つの性質「スピン」に起因する起電力の存在が理論的に予測され、実験によって確かめられました。この「スピン起電力」は、磁石（磁性体）を構成する磁化の磁気エネルギーが、磁化と電子スピンの相互作用を通じて、電子の電気エネルギーに直接変換されることにより生じます。スピン起電力は誘導起電力とは全く異なり、従来の常識に反して時間変化しない直流磁場からも電気を生み出すことができます。
スピン起電力を生成するための典型的な方法として、磁壁を一つだけ含むような磁性細線（長細い極小の磁石）を磁場中に置く方法があります。磁性体に磁場を加えると磁壁は一方向へ移動することが知られていますが、この磁壁の運動に伴って磁気エネルギーから電気エネルギーへの変換が起こり、スピン起電力が生じるのです。これは、スピン起電力の生成法として初めに提案されたものであり、その後米国と日本の研究グループによってそれぞれ実証されています。
通常、スピン起電力の大きさは加える磁場の大きさに正比例します。すなわち、直流の磁場に対しては直流の電圧が生じ、交流磁場からは入力した磁場と同じ周波数を持った交流電圧が生じます。これに加え、ごく最近、スピン起電力を用いたユニークな応用例が提案・実証されました。それは、形状加工した強磁性薄膜に交流磁場を入力し、直流の電圧を生み出す仕組み、すなわち「磁気・電気間の交流・直流変換（コンバータ）」効果です。これを受け、次なる研究テーマとしてその逆変換機構（インバータ）の可能性に注目が集まっていました。
2．研究手法と成果
インバータを実現するには、直流の入力エネルギーを時間的に変化させる仕組みを見いだす必要があります。当研究グループは、この課題を解決するため、図1に示すような周期的に横幅を変えた強磁性細線を用いました。変調を伴う細線中の磁壁は、ちょうどゴム膜のように伸縮に伴いエネルギーが変化します。このエネルギーは細線の横幅に比例するため、磁壁がある場所ごとに図１右グラフが示すような異なる磁気エネルギーを持ちます。
ここに外部から磁場を入力し磁壁を移動することで、通常の入力磁場によるスピン起電力に加え、磁壁に蓄えられた固有の磁気エネルギーによるスピン起電力を同時に利用することを考えました。これにより、磁壁移動に伴って発生する出力電圧にはこの磁壁エネルギーの変動を反映した交流成分が重ね合わされることが予想されます。
このことを確かめるため、周期変調した細線の中で磁壁の運動方程式を解き、スピン起電力を計算しました。その結果、図2に示す通り、周期変調細線におけるスピン起電力の出力電圧信号（赤線）では、直線状の非変調細線の場合に生じる直流電圧(黒線)に加えて交流成分が発生することがわかりました。この交流成分の振幅や周波数などの特性は、外部から入力する直流磁場の強さや細線の形状を調整することで制御することが可能です。適切な磁性材料を用いた場合、MHz帯からGHz帯までの良好な交流特性が得られることがわかりました。また、細線の幅の変調に限らず、磁性材料の組み合わせや加工プロセスなどにより磁壁エネルギーを適切に制御することができれば、原理的に様々な手法で交流特性を生み出すことが可能となります。
ここで示されたような、直流磁場から交流電圧を直接生み出す機構は、これまでのいかなる物理法則でも実現されていません。ここに、磁気・電気インバータの原理が確立しました。
3．今後の期待
磁壁の固有磁気エネルギーを引き出すことで、磁気・電気エネルギーの直流から交流への変換が可能であることを示し、入力磁場や細線形状に依存した交流特性を明らかにしました。これは、入出力が共に電気的である通常の能動素子に対し、電気と磁気の両者を直接結びつけるいわばハイブリッド版能動素子の誕生といえます。磁気エネルギーを直接利用した電子素子は、原理的に待機電源が不要なため、将来的に大きな省エネ効果をもたらすものと期待されます。このように、本研究成果は新現象であるスピン起電力のユニークな特性の応用可能性を示すと共に、スピントロニクス技術に基づく磁気と電気を融合した高効率なパワーエレクトロニクス、すなわちパワースピントロニクス分野を切り開くものとしても期待されます。
本研究で提案された磁性細線のナノ加工は、現在の微細加工技術によって十分実現が可能です。今後は、実験グループと共同でこの原理の実験的な実証を進めていく予定です。