【発表のポイント】

• マクロな液体運動と極小の電子との相互作用でスピン流が生成される「スピン流体発電現象」をエネルギー変換に活用するには、液体が流れる構造の微細化とエネルギー変換効率の向上が求められる。
• スピン流を介した流体発電現象の微細流路での特性を解明し、微細流路では流量の小さい領域の発電効率は大きい領域のおよそ１０万倍向上することを発見した。
• スピントロニクス技術を応用したナノ流体デバイスや微細な流れを用いた流速計への応用が期待される。

【概要】

ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、ＥＲＡＴＯ 齊藤スピン量子整流プロジェクトの髙橋 遼　研究協力員（研究開始時　日本原子力研究開発機構　博士研究員、現　お茶の水女子大学　助教）、中堂 博之　サブグループリーダー（日本原子力研究開発機構　副主任研究員）、松尾 衛　グループリーダー（研究開始時　日本原子力研究開発機構　副主任研究員、現　中国科学院大学　准教授）、前川 禎通　グループリーダー（理化学研究所　上級研究員）、齊藤 英治　研究総括（東京大学　教授）らは、電子の自転の流れであるスピン流^注１）を介した流体発電現象のマイクロメートルスケールの微細流路における特性を解明し、微細になるほど発電効率が飛躍的に向上することを発見しました。

微細流路で流れは層流^注２）と呼ばれる状態になり、微小な渦のような液体運動が流路全域に広くなだらかに分布します。このことが、より微細化に適した特性と発電効率の増大につながっています。スピン流を介した流体発電現象の基礎理論は松尾グループリーダーらが２０１７年に予言しており、本研究ではこの流体発電現象の実験的実証を層流領域において実現しました。実験の結果、層流領域では発電効率がおよそ１０万倍向上することが確認されました。

本研究成果により、スピン流を介した流体発電現象は微細化により特性が大きく向上することが示唆されます。また、流路の内部および外部に付加装置を必要としません。このため、スピントロニクス技術を取り入れたナノ流体デバイスや微細な流れを用いた流速計などに応用できると期待されます。

本成果は２０２０年６月１５日（英国時間）に英国科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」でオンライン公開されました。

【用語解説】

注１）スピン流
スピン角運動量の流れ。例えば電子は電気的な自由度である電荷と、磁気的な自由度であるスピン角運動量を持っており、前者の流れを電流、後者の流れをスピン流と呼ぶ。

注２）層流
流路内の流れは主に流速、サイズ、粘性によって特徴付けられる。流速が遅く流路サイズが小さい流れでは、粘性が支配的となり、流体は流路軸に沿って規則正しく層状に流れる。これを層流と呼ぶ。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
齊藤 英治（サイトウ エイジ）
ＥＲＡＴＯ 齊藤スピン量子整流プロジェクト　研究総括
東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻　教授
東北大学 材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）／金属材料研究所　教授
日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センター　スピンエネルギー変換材料科学研究グループリーダー
〒113-8656 東京都文京区本郷７－３－１
Tel：03-5841-6505
E-mail：eizi*ap.t.u-tokyo.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（取材に関すること）
東北大学 材料科学高等研究所 広報戦略室
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２－１－１
Tel：022-217-6146　Fax：022-217-5129
E-mail：aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）