熱流誘起スピン流

強磁性体に熱流を印加すると熱流と直交する方向に電圧が発生する「異常ネルンスト効果」は古くから知られています。 最近では強磁性体に熱流を印加すると、スピン波(マグノン)が励起され、その伝搬波がスピン流を運搬するマグノンスピン流が存在することが明らかになりました。 熱流でマグノンスピン流を誘起する現象は一般的に「スピンゼーベック効果」と呼ばれています。 一方、常磁性体に熱流を印加すると伝導電子がスピン流を生成します。 この現象は「スピンネルンスト効果」として理論予測されており、最近実験でその存在が実証されました。 スピンホール効果が常磁性体に電流を流してスピン流を生成する現象であるのに対し、スピンネルンスト効果は常磁性体に熱流を流してスピン流を生成する現象です。

スピンネルンスト効果はスピン起動相互作用が大きいWやPtで観測されています。 電子が動いてスピン流を生成する点ではスピンホール効果とスピンネルンスト効果は似ていますが、観測されるスピン流の符号が逆向きであることが最近わかりました。 この結果はスピンネルンスト効果で生成されるスピン流が、スピンホール伝導度のエネルギー微分に比例しているとするMottの関係を反映していると考えられています。

スピンネルンスト効果を用いると、フェルミ面の状態密度が小さく、電気伝導率が小さい非磁性物質でも顕著なスピン流を生成できることが予想されます。 例えば、ディラック型の電子構造を持つトポロジカル物質や2次元層状構造でも大きなスピン流を生成できる可能性があり、今後の研究推進が期待されます。


スピンホール効果とスピンネルンスト効果が起きる様子を模式的に表した図。熱流は試料に温度勾配を印加することで流れる。電流と同じように熱流が物質内を流れると金属では通常電子が動く。スピン軌道相互作用が大きい金属に熱流を流すと、熱流と直交する方向(図では膜面垂直方向)にスピン流が発生する。

関連する文献
The spin Nernst effect in Tungsten
P. Sheng, Y. Sakuraba, Y.-C. Lau, S. Takahashi, S. Mitani, M. Hayashi
Science Advances 3, e1701503 (2017). [OPEN ACCESS]