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2025-36208熱電変換素子、熱電変換モジュール、熱電変換方法及び揺らぎ検知センサー
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025036208
(43)【公開日】2025-03-14
(54)【発明の名称】熱電変換素子、熱電変換モジュール、熱電変換方法及び揺らぎ検知センサー
(51)【国際特許分類】
H10N 15/00 20230101AFI20250306BHJP
H10N 50/80 20230101ALI20250306BHJP
H10B 61/00 20230101ALI20250306BHJP
【ＦＩ】
H10N15/00
H10N50/80 Z
H10B61/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024139223
(22)【出願日】2024-08-20
(31)【優先権主張番号】P 2023141650
(32)【優先日】2023-08-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(71)【出願人】
【識別番号】000002093
【氏名又は名称】住友化学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100128381
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 義憲
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(74)【代理人】
【識別番号】100154656
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 英彦
(72)【発明者】
【氏名】岡本 敏
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 英治
(72)【発明者】
【氏名】吉川 貴史
(72)【発明者】
【氏名】平田 裕也
【テーマコード（参考）】
4M119
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119AA20
4M119BB20
4M119CC05
4M119CC10
5F092AC26
5F092AD24
5F092BD13
(57)【要約】
【課題】ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換可能な熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び熱電変換方法を提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換素子２００は、第１方向に沿った熱流Ｈの入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部２０２と、第１方向に沿って外部から熱電変換部２０２に入力された熱流Ｈに起因して熱電変換部２０２で生じた熱電信号ＪＮを取り出すための電極部２０７ａ、２０７ｂと、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の熱電変換素子２００は、第１方向に沿った熱流Ｈの入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部２０２と、第１方向に沿って外部から熱電変換部２０２に入力された熱流Ｈに起因して熱電変換部２０２で生じた熱電信号ＪＮを取り出すための電極部２０７ａ、２０７ｂと、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１方向に沿った熱流の入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部と、
前記第１方向に沿って外部から前記熱電変換部に入力された熱流に起因して前記熱電変換部で生じた熱電信号を取り出すための電極部と、
を備える、熱電変換素子。
前記第１方向に沿って外部から前記熱電変換部に入力された熱流に起因して前記熱電変換部で生じた熱電信号を取り出すための電極部と、
を備える、熱電変換素子。
【請求項2】
前記熱電変換部は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示し、
前記電極部として、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極を備える、請求項１に記載の熱電変換素子。
前記電極部として、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極を備える、請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項3】
前記熱電変換部が、前記第１方向と直交する第２方向に沿って互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含む熱電変換層であり、
前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に前記第１方向に沿って互いに離間して設けられている、請求項２に記載の熱電変換素子。
前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に前記第１方向に沿って互いに離間して設けられている、請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項4】
前記一対の電極の離間距離が、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である、請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項5】
前記常磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記常磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成される、請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項6】
前記強磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記強磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、ＣｏＦｅＢ合金、又は（Ｇａ,Ｆｅ）Ｓｂ合金で構成されている、請求項３～５のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
【請求項7】
請求項１に記載の熱電変換素子を複数備え、複数の前記熱電変換素子は、各熱電変換素子からの熱電信号が同極性で重畳可能なように互いに電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
【請求項8】
空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換部に、交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、
前記熱電変換部が、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
前記熱電変換部が、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電変換素子、熱電変換モジュール、熱電変換方法及び揺らぎ検知センサーに関する。
【背景技術】
【0002】
身の回りにある様々な形態のエネルギーを回収して、電気エネルギーに変換するエナジーハーベスト（環境発電）技術が注目されている。そのような技術を実現するものとして、特許文献１に記載されたようなゼーベック効果を利用した熱電変換素子や、非特許文献１、２に記載されたようなスピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が知られている。
【0003】
また、物質の特定の周波数、温度、電流値などの物理量を測定することによって、対象物の故障、事故又は劣化等（例えばデバイスの故障、建築物の劣化、又は生体の健康異常等）を検知する検知器やセンサーが知られている。例えば、特許文献２には、火災の発生を検知する火災検知装置が記載されている。この火災検知装置は、監視エリアで発生する音を音響データとして収音するマイクと、マイクで収音された音響データを周波数解析することで周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、周波数解析部で算出された周波数スペクトルに関して定在波以下の周波数帯域において１／ｆ揺らぎ特性が含まれているか否かを判定し、１／ｆ揺らぎ特性が含まれていると判定した場合には監視エリアで炎が発生したことを検知する炎検知部とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１５－１４４２１２号公報
【特許文献2】特許第７３７６６６０号明細書
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】内田健一、齊藤英治、“スピンゼーベック効果と熱電変換への応用”、応用物理、応用物理学会、２０１３年、第８２巻、第１１号、p.928-931
【非特許文献2】K.Uchida, et. al., “Observation of the spinSeebeck effect”, Nature, 2008, Vol.455, No. 9, p.778-781
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
従来から知られているゼーベック効果やスピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、物体に生じた温度勾配を電気エネルギーに変換しているが、温度勾配が反転すると素子内に発生する電場の極性も反転する。そのため、発電のためにはマクロスケールでの定常的な温度勾配の存在が必要であった。そのため、熱流の方向や大きさがランダムに変化するような熱源、即ちミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことは実質的に不可能であった。
【0007】
また、従来の故障、事故又は劣化等を検知する検知器やセンサーは、物質の特定の周波数、温度、電流値などの物理量を測定するというメカニズム上、実際に対象物に故障、事故又は劣化等が起こって初めてそれらの発生を検知することが可能であるため、それらの予兆を検知して発生を未然に防ぐことができなかった。対象物から発せられる振動や電磁ノイズ等の本来一定の規則的な動きを繰り返すエネルギーが、不規則な動きをし始めるのを検知することができれば、対象物の故障、事故又は劣化等の予兆を捉えることができると考えれるが、そのためにはそのようなエネルギーがミクロスケールでランダムに変化する揺らぎを検知する必要がある。しかしながら、そのような対象物から発せられるミクロスケールのエネルギー揺らぎを検知可能なセンサーは、これまで知られていなかった。
【0008】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換可能な熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び熱電変換方法を提供すること、又は、対象物から発せられるミクロスケールのエネルギー揺らぎを検知可能なセンサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述の課題を解決するため、本発明に係る熱電変換素子は、第１方向に沿った熱流の入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部と、第１方向に沿って外部から熱電変換部に入力された熱流に起因して熱電変換部で生じた熱電信号を取り出すための電極部と、を備える。
【0010】
本発明に係る熱電変換素子によれば、流入した熱流によって熱電変換部において生成される熱電信号は、熱電変換部の非線形の熱電応答特性に起因して熱流の方向に対して非線形となり、そのような非線形の熱電信号が電極部によって電気的に取り出することが可能であることを本願発明者らは見出した。そのため、方向や大きさがランダムに変化する熱流からであっても、熱電変換部内で一定方向に熱電信号を生成することが可能であるため、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能となる。
【0011】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る熱電変換素子において、熱電変換部は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示し、上記電極部として、上記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極を備えることができる。
【0012】
これにより、流入した熱流によって熱電変換部において生成される熱電信号は、熱電変換部の非相反伝導に起因して熱流の方向に対して非相反となり、そのような非相反熱電信号が一対の電極によって電気的に取り出することが可能であることを本願発明者らは見出した。そのため、方向や大きさがランダムに変化する熱流からであっても、熱電変換部内で一定方向に熱電信号を生成することが可能であるため、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能となる。
【0013】
さらに、本発明に係る熱電変換素子においては、上記熱電変換部が、第１方向と直交する第２方向に沿って互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含む熱電変換層であり、上記一対の電極が、上記熱電変換層に上記熱電変換層の面内方向に第１方向に沿って互いに離間して設けられていることが好ましい。これにより、熱電変換層の空間反転対称性の破れに基づく熱電変換の電圧が大きくなるため、熱電変換効率が特に高くなる。
【0014】
さらに、本発明に係る熱電変換素子においては、上記一対の電極の離間距離が、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下とすることができる。このような範囲とすることで、熱電変換の電圧が大きくなるため、熱電変換効率が高くなる。
【0015】
さらに、本発明に係る熱電変換素子においては、上記常磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、上記常磁性金属層の上記単層又は上記積層された複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されることが好ましい。これにより、熱電変換層の空間反転対称性の破れに基づく伝導の非相反性が特に大きくなるため、熱電変換効率が特に高くなる。
【0016】
さらに、本発明に係る熱電変換素子においては、上記強磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、上記強磁性金属層の上記単層又は上記積層された複数の層のそれぞれが、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、ＣｏＮｉ、Ｇｄ、ＣｏＦｅＢ合金、又は（Ｇａ,Ｆｅ）Ｓｂ合金で構成されていることが好ましい。これらは室温で強磁性を示す材料であり、室温での伝導の非相反性が実現されることから、熱電変換効率が高くなる。
【0017】
さらに、本発明に係る熱電変換モジュールは、上記いずれかの熱電変換素子を複数備え、複数の前記熱電変換素子は、各熱電変換素子からの熱電信号が同極性で重畳可能なように互いに電気的に接続されている。これにより、大きな非相反熱電信号を取り出すことが可能となる。
【0018】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る熱電変換方法は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層と、上記熱電変換層に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備える熱電変換素子を準備する工程であって、上記熱電変換層が、互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含み、上記一対の電極が、上記常磁性金属層に上記常磁性金属層の面内方向に互いに離間して設けられている、工程と、上記熱電変換層の上記強磁性金属層に１Ｔ以下の磁場を印加しながら熱電変換を行う工程と、を有する。
【0019】
本発明に係る熱電変換方法によれば、１Ｔ以下の磁場が印加されて磁化された強磁性金属層と常磁性金属層との積層体に熱流が流入すると、常磁性金属層にスピン流が駆動され、常磁性金属層と強磁性金属層との界面にスピン蓄積が形成される。このスピン蓄積の極性は、熱流の向きに応じて、強磁性金属層の磁化方向に対して平行あるいは反平行になる。このスピン蓄積の極性と磁化の向きとの間の相対的な向きに応じて電子の散乱が変化し、これによって熱電変換層に生じる熱電信号に熱流の向き依存性、即ち非相反性が生じる。これが非相反熱電信号であり、このような非相反熱電信号を一対の電極によって電気的に取り出すことができる。そのため、方向や大きさがランダムに変化する熱流からであっても、常磁性金属層内で一定方向に熱電信号を生成することが可能であるため、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能となる。
【0020】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る熱電変換方法は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換部に、交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、熱電変換部が、交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、を有する。
【0021】
本発明に係る熱電変換方法によれば、熱電変換部は、印加された交流成分を含む温度勾配を熱電変換して熱電信号を生成する。この際、当該熱電信号は、熱電変換部の非相反伝導特性に起因して温度勾配の方向に対して非線形となるため、非相反熱電信号となる。これにより、ミクロスケールでの温度揺らぎは、交流成分を含む温度勾配とみなすことができるため、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能となる。
【0022】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る揺らぎ検知センサーは、第１方向に沿った外部エネルギーの入力に対して非線形の電気応答特性を有する非線形応答部と、第１方向に沿って外部から上記非線形応答部に入力されたエネルギー揺らぎに起因して上記非線形応答部で生じた電気応答信号を取り出すための電極部と、を備える。
【0023】
本発明に係る揺らぎ検知センサーによれば、外部から入力されたエネルギー揺らぎによって非線形応答部において生成される電気応答信号は、非線形応答部の非線形の電気応答特性に起因してエネルギーの流れの方向に対して非相反となり、そのような非相反の電気応答信号を電極部によって電気的に取り出することが可能であることを本願発明者らは見出した。そのため、方向や大きさがランダムに変化する外部エネルギーからであっても、非線形応答部内で一定方向に非相反の電気応答信号である非線形電圧信号を生成することが可能であるため、対象物から発せられるミクロスケールのエネルギー揺らぎを検知することが可能となる。
【0024】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、外部エネルギーが、電流及び／又は熱流であり、エネルギー揺らぎが、電流揺らぎ及び／又は熱流揺らぎであることができる。この場合、対象物から発せられる電流揺らぎ及び／又は熱流揺らぎを検知することが可能となる。
【0025】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、外部エネルギーが、電流であり、エネルギー揺らぎが、電流揺らぎであることができる。この場合、対象物から発せられる電流揺らぎを検知することが可能となる。
【0026】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、非線形応答部は、第１方向と直交する第２方向に沿って空間反転対称性が破れた構成を有することができる。
【0027】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、非線形応答部は、第２方向に沿って互いに積層された強磁性層及び常磁性層を含むことができる。
【0028】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、上記強磁性層は、自発磁化及び／又は高い保磁力を有し得るように構成されていることができる。
【0029】
さらに、本発明に係る揺らぎ検知センサーでは、上記強磁性層は、強磁性金属層であり、磁性金属と常磁性金属からなるＬ１０型の規則合金で構成され、上記常磁性層は、常磁性金属層であることができる。これにより、上記強磁性層が有し得る保磁力の大きさを増大することができる。
【発明の効果】
【0030】
本発明によれば、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換可能な熱電変換素子、熱電変換モジュール、及び熱電変換方法が提供される、又は、対象物から発せられるミクロスケールのエネルギー揺らぎを検知可能なセンサーが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】第１実施形態に係る熱電変換素子を示す斜視図である。
【図2】第１実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
【図3】第１実施形態に係る熱電変換方法の工程を示す工程図である。
【図4】熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの構成を示す斜視図である。
【図5】非相反熱電信号を測定する実験方法を示す概略図である。
【図6】非相反熱電信号を測定する実験の測定結果を示す図である。
【図7】第２実施形態に係る揺らぎ検知センサーを示す斜視図である。
【図8】第２実施形態に係る揺らぎ検知センサーの断面図である。
【図9】第２実施形態に係るエネルギー変換方法の工程を示す工程図である。
【図10】揺らぎ検知センサーを用いた揺らぎ検知センサーモジュールの構成を示す斜視図である。
【図11】実施例３の非相反電圧信号ＪＮ１を測定する実験方法を示す概略図である。
【図12】実施例３の実験の測定結果を示す図である。
【図13】実施例４の非相反電圧信号ＪＮ１を測定する実験方法を示す概略図である。
【図14】実施例４の実験の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【0033】
【0034】
【0035】
基板２０１は、例えば図１に示すように板状又はフィルム状の部材であり、略平坦な表面２０１Ｓを有する。表面２０１Ｓは、例えば図１に示すようにＺ軸方向から見て矩形状である。基板２０１は、表面２０１Ｓ上に熱電変換層２０２を積層するための部材である。基板２０１を構成する材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、及びＡｌ等の金属、シリコン、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、並びに、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、及びポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂を挙げることができる。
【0036】
なお、図１及び図２においては、直交座標系Ｃを示しており、基板２０１の厚さ方向にＺ軸を設定し、基板２０１の表面２０１Ｓの矩形の長辺方向及び短辺方向に、それぞれＸ軸及びＹ軸を設定している。以降の図においても必要に応じて直交座標系Ｃを示している。
【0037】
熱電変換層２０２は、Ｚ軸方向（第２方向）に沿って互いに積層された単層の強磁性金属層２０３及び単層の常磁性金属層２０５を有し、本実施形態では基板２０１の表面２０１Ｓ上に強磁性金属層２０３が積層され、強磁性金属層２０３上に常磁性金属層２０５が積層されている。強磁性金属層２０３は、熱電変換素子２００の使用環境における温度において強磁性を示す金属で構成されている。強磁性金属層２０３は、室温（３００Ｋ程度）で強磁性を示す金属で構成されていることが好ましく、この観点からＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、又はそれらの少なくとも一つを含む合金から構成されていることが好ましく、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｃｏ、又はＣｏＦｅＢから構成されていることが特に好ましい。
【0038】
熱電変換層２０２は、例えば、平面視で（即ち、Ｚ軸方向から見て）Ｘ軸方向に沿った長辺及びＹ軸方向に沿った短辺を有する矩形状である。強磁性金属層２０３の厚さは、特に制限されないが、例えば１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることができる。
【0039】
常磁性金属層２０５は、熱電変換素子２００の使用環境における温度において常磁性を示す金属で構成されており、室温（３００Ｋ）で常磁性を示す金属で構成されていることが好ましい。常磁性金属層２０５は、後述の常磁性金属層２０５内でのスピンネルンスト効果を高くするためにスピン軌道相互作用の高い常磁性金属で構成されていることが好ましく、この観点からＰｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されていることが好ましく、特にＰｔで構成されていることが好ましい。常磁性金属層２０５の厚さは、特に制限されないが、例えば １ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることができる。
【0040】
熱電変換層２０２は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す。具体的には、強磁性金属層２０３の表面に常磁性金属層が設けられているが、強磁性金属層２０３の裏面には同様の常磁性金属層は設けられておらず、また、常磁性金属層２０５の裏面に強磁性金属層が設けられているが、常磁性金属層２０５の表面には同様の強磁性金属層は設けられていない。そのため、熱電変換層２０２は、Ｚ軸方向に沿って空間反転対称性が破れた構造を有している。熱電変換層２０２は、ＸＹ平面に沿った方向には、実質的に空間反転対称性を有している。そして、熱電変換層２０２は、このＺ軸方向に沿った空間反転対称性の破れに起因して、面内（ＸＹ平面内）方向の電気伝導率について非相反性を示す。これにより、熱電変換層２０２は、後述のように面内（ＸＹ平面内）方向の一つ（本実施形態では、第１方向としてのＸ軸方向）に沿った熱流Ｈの入力に対して非線形の熱電応答特性を有する。
【0041】
一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、熱電変換層２０２に熱電変換層２０２の面内（ＸＹ平面内）方向に互いに離間して設けられている。一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、後述のように面内（ＸＹ平面内）方向の一つに沿って外部から熱電変換層２０２に入力された熱流Ｈに起因して熱電変換層２０２で生じた熱電信号ＪＮを取り出すために設けられている。本実施形態では、一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、強磁性金属層２０３に接しないように常磁性金属層２０５に設けられており、常磁性金属層２０５の強磁性金属層２０３とは反対側の表面２０５Ｓに設けられている。一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、常磁性金属層２０５の面内（ＸＹ平面内）方向の一つであるＸ軸方向に沿って互いに離間している。一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、後述のように熱電変換層２０２から非相反熱電信号を取り出すことが可能な導電率を有する材料で構成され、そのような材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、コンスタンタン、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｕ合金、Ｔｉ／Ａｕ積層、及びＣｒ／Ａｕ積層等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性酸化物を挙げることができ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、コンスタンタン、及びＣｕ銅合金が好ましく、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｕ積層、及びＣｒ／Ａｕ積層が特に好ましい。
【0042】
一対の電極２０７ａ、２０７ｂの厚さは、特に制限されないが、例えば１０ｎｍ以上、１μｍ以下とすることができる。一対の電極２０７ａ、２０７ｂ間のＸ軸方向に沿った離間距離Ｄ２０７は、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。
【0043】
また、本実施形態の熱電変換素子２００は、強磁性金属層２０３と接するように設けられている電気的に絶縁性の磁性材料からなる層を備えていてもよいし、そのような層を備えていなくてもよい。
【0044】
このような熱電変換素子２００は、例えば基板２０１を準備し、その表面２０１Ｓ上にＤＣマグネトロンスパッタリング法等の物理的気相成長法で強磁性金属層２０３を構成するための材料及び常磁性金属層２０５を構成するための材料をこの順に堆積して積層体を形成し、フォトリソグラフィー法及びリフトオフ法によって当該積層体を平面視で矩形状となるようにパターニングして熱電変換層２０２を形成する。その後、常磁性金属層２０５の表面２０５Ｓを含む領域に一対の電極２０７ａ、２０７ｂを構成するための金属材料をＤＣマグネトロンスパッタリング法等の物理的気相成長法で堆積して金属層を形成し、フォトリソグラフィー法及びリフトオフ法によって当該金属層を所定の形状にパターニングして一対の電極２０７ａ、２０７ｂを形成する。
【0045】
次に、本実施形態に係る熱電変換方法について説明する。図３は、本実施形態に係る熱電変換方法の工程を示す工程図である。図３に示すように、本実施形態に係る熱電変換方法の工程は、熱電変換素子を準備する工程Ｓ１１と、熱流を入力する工程Ｓ１２と、外部磁場を印加しながら熱電変換を行う工程Ｓ１３とを有する。これらの工程について、再度図１及び図２を参照しつつ説明する。
【0046】
熱電変換素子を準備する工程Ｓ１１では、図１、図２に示すような上述の熱電変換素子２００を準備する。続いて、熱流を入力する工程Ｓ１２では、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層２０２に、熱流Ｈを印加する。具体的には、熱流を入力する工程Ｓ１２では、熱電変換層２０２に対して熱電変換の対象である外部からの熱流Ｈを、熱電変換層２０２の面内（ＸＹ平面内）方向の一つであるＸ軸方向に沿って流れるように入力する。
【0047】
本実施形態の熱流Ｈは、上述の「ミクロスケールでの温度揺らぎ」に対応する。熱流Ｈは、単一又は複数の交流成分を含む温度勾配である。ここで、「交流成分」とは、所定の周波数で周期的に熱の大きさが正負に変動する成分であり、熱流Ｈが複数の交流成分を含む場合、各交流成分の周波数は互いに異なる。上述のように「ミクロスケールでの温度揺らぎ」は、熱流の方向や大きさがランダムに変化するような熱源に対応するが、フーリエ変換によって当該温度揺らぎに含まれる単一の交流成分又は複数の互いに周波数が異なる交流成分を求めることができるため、上述の「ミクロスケールでの温度揺らぎ」は、単数又は複数の交流成分を含む温度勾配とみなすことができる。
【0048】
次に、外部磁場を印加しながら熱電変換を行う工程Ｓ１３が行われる。外部磁場を印加しながら熱電変換を行う工程Ｓ１３は、熱電変換層２０２が、熱流Ｈを熱電変換して熱電信号ＪＮを生成する工程を含む。具体的には、外部磁場を印加しながら熱電変換を行う工程Ｓ１３では、熱電変換素子２００の外部に設けられた磁場発生部から発生させた外部磁場Ｂを強磁性金属層２０３に対して印加する。この際の外部磁場Ｂの印加方向は、熱電変換素子２００の面内（ＸＹ平面内）方向であって、熱流Ｈの流れの方向と直交する方向の一方であるＹ軸負方向とする。これにより、強磁性金属層２０３は、外部磁場Ｂの方向に磁化され、外部磁場Ｂの方向を向いた磁化２０３Ｍを有する。このような外部磁場Ｂの印加は、熱流Ｈの熱電変換を行う間、維持される。外部磁場Ｂの大きさは、例えば１Ｔ以下とすることができる。
【0049】
工程Ｓ１３において、熱流Ｈが常磁性金属層２０５に流入すると、スピン流ＪＳが、Ｚ軸方向に沿って生成され、強磁性金属層２０３内に流れ込む。スピン流ＪＳの極性は、熱流Ｈの方向に応じてＹ軸正方向又はＹ軸負方向に変化する。そのため、熱流Ｈの方向が反転するとスピン流ＪＳの極性は反転し、スピン流ＪＳの極性と強磁性金属層２０３の磁化２０３Ｍの方向との相対的な向き関係が反転する。また、強磁性金属層２０３の磁化２０３Ｍの方向を反転させることによって、スピン流ＪＳの極性と磁化２０３Ｍの方向との相対的な向き関係を反転させることもできる。
【0050】
スピン流ＪＳが強磁性金属層２０３内に流れ込むと、スピン流の極性方向と強磁性金属層２０３の磁化２０３Ｍの方向との相対的な向きに応じて、電子散乱が変化する。強磁性金属層２０３及び常磁性金属層２０５の接合界面付近におけるスピン流の極性方向は熱流Ｈの向きに応じて変化するため、この電子散乱は熱流Ｈの向きに応じて変化する。これによって熱電変換層２０２に生じる熱電信号に熱流Ｈの向き依存性、即ち非相反性が生じる。
【0051】
このように熱電変換層２０２内に生成される熱電信号ＪＮは、上述のような熱電変換層２０２の非相反伝導に起因して熱流Ｈの方向に対して非相反となり（即ち、熱電信号ＪＮが熱流Ｈの方向に対して非線形に変化し）、熱流Ｈの方向がＸ軸正方向かＸ軸負方向かに関わらず、熱電信号ＪＮの方向は、Ｘ軸正方向となり、そのような非相反熱電信号ＪＮを一対の電極２０７ａ、２０７ｂを介して電気的に取り出すことができることを本願発明者らは見出した。そのため、本実施形態に係る熱電変換素子２００によれば、熱流Ｈの方向や大きさがランダムに変化しても、熱電変換層２０２内で一定方向に非相反熱電信号ＪＮを生成することが可能であるため、ミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能となる。
【0052】
また、外部磁場Ｂの方向をＹ軸正方向に反転させ、強磁性金属層２０３の磁化２０３Ｍの方向をＹ軸正方向に反転させることによって、非相反熱電信号ＪＮの方向をＸ軸負方向に反転させることができる。
【0053】
熱電変換層２０２においては、一対の電極２０７ａ、２０７ｂによって取り出される非相反熱電信号ＪＮの電圧の大きさをＶ、Ｖに対応する熱電変換層２０２内に発生する電場をＥ、熱電変換層２０２の非線形ゼーベック係数をＳ、一対の電極２０７ａ、２０７ｂ間の距離をＬ（図２におけるＤ２０７）、熱電変換層２０２の距離Ｌの範囲における温度勾配を∇Ｔ、熱電変換層２０２の距離Ｌの範囲における温度差をΔＴとしたとき、電場Ｅ＝非線形ゼーベック係数Ｓ×（温度勾配∇Ｔ）２の関係が成り立つ。この式の両辺に距離Ｌを掛けることにより、電圧Ｖ＝非線形ゼーベック係数Ｓ×（温度差ΔＴ）２／Ｌとなるため、一対の電極２０７ａ、２０７ｂ間の距離Ｌが小さい程、電圧Ｖが大きくなる。そのため、上述のように一対の電極２０７ａ、２０７ｂ間のＸ軸方向に沿った離間距離Ｄ２０７を好ましくは１０００μｍ以下と小さい値にすることにより、一対の電極２０７ａ、２０７ｂによって取り出される非相反熱電信号ＪＮが大きくなる。
【0054】
また、熱電変換素子２００は、Ｘ軸正側の端面及び／又はＸ軸負側の端面に接するように又は近接するように設けられた、熱流Ｈが熱電変換層２０２内に流入し易くするための熱伝導部を備えてもよい。このような熱伝導部は、例えばアルミニウム、銅、炭素繊維、サファイヤ、アルミナ、熱酸化膜付きシリコン、高分子ポリマーで構成することができる。
【0055】
図４は、上述のような熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの構成を示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態に係る熱電変換モジュール３００は、複数の熱電変換素子２００を備え、本実施形態では４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄを有する。４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄは、各熱電変換素子からの非相反熱電信号ＪＮが同極性で重畳するように互いに電気的に接続されている。
【0056】
具体的には、熱電変換モジュール３００では、図１及び図２に示す熱電変換素子２００と同様の態様で直交座標系Ｃに対して配置された熱電変換素子２００ａ、２００ｃと、図１及び図２に示す熱電変換素子２００をＹ軸の周りに１８０度回転させた態様で直交座標系Ｃに対して配置された熱電変換素子２００ｂ、２００ｄが、Ｙ軸方向に沿って交互に設けられている。そして、熱電変換素子２００ａの電極２０７ａと熱電変換素子２００ｂの電極２０７ｂが電気的に接続され、熱電変換素子２００ｂの電極２０７ａと熱電変換素子２００ｃの電極２０７ｂが電気的に接続され、熱電変換素子２００ｃの電極２０７ａと熱電変換素子２００ｄの電極２０７ｂが電気的に接続されている。また、熱電変換素子２００ｂ、２００ｄをＹ軸の周りに１８０度回転させた態様で配置することに代えて、熱電変換素子２００ｂ、２００ｄを熱電変換素子２００ａ、２００ｃと同様に図１及び図２に示す熱電変換素子２００と同様の態様で直交座標系Ｃに対して配置した上で、熱電変換素子２００ｂ、２００ｄにおいて、熱電変換層２０２の強磁性金属層２０３と常磁性金属層２０５の積層順を逆にすることもできる。この場合、熱電変換素子２００ａの電極２０７ａと熱電変換素子２００ｂの電極２０７ａが電気的に接続され、熱電変換素子２００ｂの電極２０７ｂと熱電変換素子２００ｃの電極２０７ｂが電気的に接続され、熱電変換素子２００ｃの電極２０７ａと熱電変換素子２００ｄの電極２０７ａが電気的に接続される。
【0057】
また、外部磁場Ｂによって４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄのそれぞれの強磁性金属層２０３は、Ｙ軸負方向に磁化され、Ｙ軸負方向を向いた磁化２０３Ｍを有する。
【0058】
また、熱電変換モジュール３００は、４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄのＸ軸負側の端面及びＸ軸正側の端面に接するように又は近接するように設けられた熱伝導部３０１、３０２を備える。これにより、Ｘ軸方向に流れる熱流が４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄのそれぞれの強磁性金属層２０３内に流入し易くなる。熱電変換モジュール３００は、熱伝導部３０１、３０２を備えなくてもよい。
【0059】
熱流が４つの熱電変換素子２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄのそれぞれの強磁性金属層２０３内に流入してそれぞれの熱電変換素子２００で生成された非相反熱電信号は、同極性で重畳された後に、熱電変換素子２００ａの電極２０７ｂと熱電変換素子２００ｄの電極２０７ａとによって取り出されることができるため、大きな非相反熱電信号を取り出すことが可能となる。
【0060】
（実施例）
次に、第１実施形態に係る発明の効果をより明確にするため、実施例を用いて説明する。以下のように熱電変換素子２００に対応する素子を作製した。まず、基板２０１として厚さが０．５ｍｍの熱酸化膜付きＳｉ基板を準備し、この基板上にＤＣマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性金属層２０３として厚さが５ｎｍのＮｉ－Ｆｅ合金層、及び、常磁性金属層２０５として厚さが５ｎｍのＰｔ層をこの順に堆積し、熱電変換層２０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、熱電変換層２０２をＹ軸方向の幅が５μｍ、Ｘ軸方向の長さが５０μｍの平面視で矩形状にパターン化した。その後、熱電変換層２０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって一対の電極２０７ａ、２０７ｂに対応する一対の電極を形成し、熱電変換素子２００に対応する素子を作製した。
次に、第１実施形態に係る発明の効果をより明確にするため、実施例を用いて説明する。以下のように熱電変換素子２００に対応する素子を作製した。まず、基板２０１として厚さが０．５ｍｍの熱酸化膜付きＳｉ基板を準備し、この基板上にＤＣマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性金属層２０３として厚さが５ｎｍのＮｉ－Ｆｅ合金層、及び、常磁性金属層２０５として厚さが５ｎｍのＰｔ層をこの順に堆積し、熱電変換層２０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、熱電変換層２０２をＹ軸方向の幅が５μｍ、Ｘ軸方向の長さが５０μｍの平面視で矩形状にパターン化した。その後、熱電変換層２０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって一対の電極２０７ａ、２０７ｂに対応する一対の電極を形成し、熱電変換素子２００に対応する素子を作製した。
【0061】
次に、当該素子を、室温（３００Ｋ）において、熱流を入力する工程Ｓ１２及び外部磁場を印加しながら熱電変換を行う工程Ｓ１３を行い、一対の電極２０７ａ、２０７ｂから出力される非相反熱電信号ＪＮを測定する実験を行った。図５は、非相反熱電信号ＪＮを測定する実験方法を示す概略図である。図５に示すように、熱電変換素子２００に対応する素子のＸ軸負方向の端部に隣接して第１の抵抗ヒーター２１０を設け、当該素子のＸ軸正方向の端部に隣接して第２の抵抗ヒーター２１１を設けた。そして、第１の抵抗ヒーター２１０及び第２の抵抗ヒーター２１１に、第１の電源２２０及び第２の電源２２１をそれぞれ電気的に接続した。また、一対の電極２０７ａ、２０７ｂ間にロックインアンプ２３０を電気的に接続した。
【0062】
そして、熱電変換素子２００に対してＹ軸負方向に印加する外部磁場Ｂの大きさを、５ｍＴから－５ｍＴまで０．１ｍＴ間隔で変化させながら、第１の抵抗ヒーター２１０及び第２の抵抗ヒーター２１１によって熱電変換素子２００に対してＸ軸に沿った方向に角周波数ωの正弦波的に変化する交流温度勾配ΔＴＡＣを与えた。そして、熱電変換素子２００で生成される熱電信号のうち、交流温度勾配ΔＴＡＣの２倍周波数に対応する熱電信号の変化量のｙ成分であるΔＶ２ω、ｙをロックインアンプ２３０で検出した。
【0063】
交流温度勾配ΔＴＡＣについてより具体的には、ωを角周波数、ｔを時間としたとき、第１の電源２２０によって第１の抵抗ヒーター２１０に対して、Ｖｄｃ＋Ｖａｃｓｉｎ（ωｔ）の交流電圧を印加し、それとは逆位相であるＶｄｃ－Ｖａｃｓｉｎ（ωｔ）の交流電圧を第２の電源２２１によって第２の抵抗ヒーター２１１に印加した。これにより、熱電変換素子２００に対してＸ軸に沿った方向にΔＴＡＣ＝（√２）ΔＴｒｍｓｓｉｎ（ωｔ）で表される交流温度勾配が印加される（ΔＴｒｍｓは、交流温度勾配の実効値）。そのため、交流温度勾配ΔＴＡＣは、単一の交流成分を含む熱流Ｈに対応する。第１の電源２２０及び第２の電源２２１として、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製の電圧源装置ＷＦ１９６８を用い、ロックインアンプ２３０として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製のロックインアンプＬＩ５６４０を用いた。また、第１の電源２２０及び第２の電源２２１で印加する上記交流電圧の周波数ｆ（＝ω／２π）を１３．７２３Ｈｚとし、上記ΔＴｒｍｓが４Ｋとなるように上記Ｖａｃを調整した。ロックインアンプ２３０のロックイン条件として、ダイナミックリザーブをｌｏｗ、測定感度（sensitivity）を５００ｎＶ、時定数を１秒、スロープを－２４ｄＢとした。
【0064】
図６は、上記実験の結果として得られた熱電信号ΔＶ２ω、ｙの外部磁場Ｂ依存を示す図である。熱電変換素子２００に与えられたΔＴＡＣは正弦波的に変化するため、マクロスケールで見ると熱電変換素子２００に温度勾配は実質的に与えられないことになり、ΔＴＡＣは、ミクロスケールでの温度揺らぎに対応する。そして、もしも熱電変換素子２００から出力される熱電信号が交流温度勾配ΔＴＡＣの極性に対して線形となる場合、交流温度勾配ΔＴＡＣの２倍周波数に対応する熱電信号ΔＶ２ω、ｙは、交流温度勾配ΔＴＡＣの正位相と逆位相に対応する熱電信号が打ち消し合うため、ゼロとなるのに対して、熱電変換素子２００から出力される熱電信号が交流温度勾配ΔＴＡＣの極性に対して非線形（非相反）となる場合、熱電信号ΔＶ２ω、ｙは有限の値となる。
【0065】
本実験では、図６に示されるように、外部磁場Ｂが印加されている場合、有限の値のΔＶ２ω、ｙが検出され、外部磁場Ｂの極性が反転するとΔＶ２ω、ｙの極性も反転した。これにより、本実験で用いた熱電変換素子は、温度勾配の方向に対して非線形に熱電信号を生成することが可能であるため、マクロスケールでは温度勾配が実質的に存在しないミクロスケールでの温度揺らぎから熱電変換を行うことが可能であることが示された。
【0066】
本発明は上述の第１実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【0067】
例えば、上述の第１実施形態では熱電変換素子２００は基板２０１を備えているが（図１及び図２参照）、熱電変換素子２００は基板２０１を備えていなくてもよい。この場合、熱電変換層２０２を自立層として形成することができる。
【0068】
また、上述の第１実施形態では、工程Ｓ１３において外部磁場Ｂを強磁性金属層２０３に対して、熱電変換素子２００の面内（ＸＹ平面内）方向であって、熱流Ｈの流れの方向と直交する方向に印加しているが（図１及び図２参照）、熱電変換素子２００の面内（ＸＹ平面内）方向であって、熱流Ｈの流れの方向と９０度以外の角度で交差する方向に印加してもよい。ただし、外部磁場Ｂと熱流Ｈは、互いに平行又は反平行とはならないように設定される。
【0069】
また、上述の第１実施形態では、工程Ｓ１３において外部磁場Ｂを印加しながら熱電変換を行っているが（図１及び図２参照）、外部磁場Ｂの印加無しでも強磁性金属層２０３の磁化２０３Ｍを有するのであれば、工程Ｓ１３において外部磁場Ｂの印加無しで熱電変換を行うことができる。これを実現するための方法として、例えば、強磁性金属層２０３を保磁力の大きな材料で構成し、強磁性金属層２０３が残留磁化としての磁化２０３Ｍを有するようにすることや、強磁性金属層２０３に静磁場又は交換結合磁場を印加する層又は部材を熱電変換素子２００に設けることを挙げることができる。例えば、熱電変換素子２００は、強磁性金属層２０３に交換結合磁場を印加するように強磁性金属層２０３の常磁性金属層２０５側とは反対側に積層されたＮｉＯ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、Ｍｎ２Ａｕ、ＦｅＲｈ，ＭｎＳｂ等の反強磁性層をさらに備えることができる。これにより、外部磁場Ｂの印加無しで熱電変換を行うことが可能となる。
【0070】
また、上述の第１実施形態では、一対の電極２０７ａ、２０７ｂを、強磁性金属層２０３に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、常磁性金属層２０５の表面２０５Ｓに設けているが（図１及び図２参照）、強磁性金属層２０３に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、常磁性金属層２０５のＸ軸正負方向の側面にそれぞれ設けてもよい。
【0071】
また、上述の第１実施形態では強磁性金属層２０３は単層であったが（図１及び図２参照）、強磁性金属層２０３は、積層された複数の強磁性金属の層からなってもよい。この場合、当該複数の層のそれぞれが、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、ＣｏＦｅＢ合金、又は（Ｇａ,Ｆｅ）Ｓｂ合金で構成されていることが好ましい。このような積層された複数の強磁性金属の層は、例えば、複数種類の強磁性金属からなる層を互いに周期的に積層した積層体（例えば第１の強磁性金属からなる層を層Ａ、第２の強磁性金属からなる層を層Ｂ、及び第３の強磁性金属からなる層を層Ｃとしたとき、層Ａ層Ｂ層Ｃ層Ａ層Ｂ層Ｃ・・・のように３種の層を周期的に積層した積層体）や、複数種類の強磁性金属からなる層を互いにランダムに積層した積層体（例えば、層Ａ層Ｂ層Ｃ層Ｂ層Ａ層Ｃ・・・のように３種の層をランダムに積層した積層体）とすることができる。
【0072】
また、上述の第１実施形態では常磁性金属層２０５は単層であったが（図１及び図２参照）、常磁性金属層２０５は、積層された複数の常磁性金属の層からなってもよい。この場合、当該複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されることが好ましい。このような積層された複数の常磁性金属の層としては、例えば、複数種類の常磁性金属からなる層を互いに周期的に積層した積層体（例えば、第１の常磁性金属からなる層を層Ｄ、第２の常磁性金属からなる層を層Ｅ、及び第３の常磁性金属からなる層を層Ｆとしたとき、層Ｄ層Ｅ層Ｆ層Ｄ層Ｅ層Ｆ・・・のように３種の層を周期的に積層した積層体）や、複数種類の常磁性金属からなる層を互いにランダムに積層した積層体（例えば、層Ｄ層Ｅ層Ｆ層Ｅ層Ｄ層Ｆ・・・のように３種の層をランダムに積層した積層体）とすることができる。上記積層された複数の常磁性金属の層は、互いに同じ符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。これにより、熱電変換層２０２における熱電変換の際、複数の常磁性金属の層のそれぞれに起因する非相反熱電信号が互いに打ち消し合うことがなくなるため、非相反熱電信号を全体として増大させることができるためである。
【0073】
また、上述の第１実施形態では熱電変換層２０２は、常磁性金属層を１層（常磁性金属層２０５）のみ備えていたが（図１及び図２参照）、熱電変換層２０２は、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層を備えていてもよい。この場合、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層の間に強磁性金属層２０３が介在するように第１の常磁性金属層、強磁性金属層２０３及び第２の常磁性金属層がこの順にＺ軸方向に沿って積層されて熱電変換層２０２が構成される。第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層の好ましい構成材料は常磁性金属層２０５と同様だが、熱電変換層２０２がＺ軸方向に沿って空間反転対称性が破れた構造を有するように第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層の構成（構成材料及び膜厚等）が選択される。
【0074】
この場合、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層は、互いに逆符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。（例えば、第１の常磁性金属層をＰｔで構成し、第２の常磁性金属層をＴａで構成することによって、これを実現することができる。）これにより、熱電変換層２０２における熱電変換の際、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層のそれぞれから強磁性金属層２０３に、同じ向きの極性を有するスピン流が注入されるため、非相反熱電信号を増大させることができるためである。
【0075】
さらに、この場合、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層のそれぞれ又はいずれかは、上述のように積層された複数の常磁性金属の層からなってもよい。この場合、第１の常磁性金属層と第２の常磁性金属層のそれぞれ又はいずれかを構成する複数の常磁性金属の層は、上述の理由により互いに同じ符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。
【0076】
また、上述の第１実施形態では一対の電極２０７ａ、２０７ｂは常磁性金属層２０５の表面２０５Ｓに設けられているが（図１及び図２参照）、一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、常磁性金属層２０５に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、強磁性金属層２０３の裏面（Ｚ軸負側の面）に設けられていてもよい。
【0077】
また、上述の第１実施形態では基板２０１上に強磁性金属層２０３及び常磁性金属層２０５がこの順に積層されて熱電変換層２０２を構成しているが（図１及び図２参照）、基板２０１上に常磁性金属層２０５及び強磁性金属層２０３をこの順に積層して熱電変換層２０２を構成してもよい。この場合、一対の電極２０７ａ、２０７ｂは、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、強磁性金属層２０３の表面（Ｚ軸正側の面）又は常磁性金属層２０５の裏面（Ｚ軸負側の面）に設けることができる。
【0078】
本開示の熱電変換素子、熱電変換モジュール及び熱電変換方法は、以下の構成を有する。
［１］ 第１方向に沿った熱流の入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部と、
前記第１方向に沿って外部から前記熱電変換部に入力された熱流に起因して前記熱電変換部で生じた熱電信号を取り出すための電極部と、
を備える、熱電変換素子。
［２］ 前記熱電変換部は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示し、
前記電極部として、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極を備える、［１］に記載の熱電変換素子。
［３］ 前記熱電変換部が、前記第１方向と直交する第２方向に沿って互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含む熱電変換層であり、
前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に前記第１方向に沿って互いに離間して設けられている、［２］に記載の熱電変換素子。
［４］ 前記一対の電極の離間距離が、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である、［２］又は［３］に記載の熱電変換素子。
［５］ 前記常磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記常磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成される、［３］又は［４］に記載の熱電変換素子。
［６］ 前記強磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記強磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、ＣｏＦｅＢ合金、又は（Ｇａ,Ｆｅ）Ｓｂ合金で構成されている、［３］～［５］のいずれかに記載の熱電変換素子。
［７］ ［１］～［６］のいずれかに記載の熱電変換素子を複数備え、複数の前記熱電変換素子は、各熱電変換素子からの熱電信号が同極性で重畳可能なように互いに電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
［８］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層と、前記熱電変換層に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備える熱電変換素子を準備する工程であって、前記熱電変換層が、互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含み、前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に互いに離間して設けられている、工程と、
前記熱電変換層の前記強磁性金属層に１Ｔ以下の磁場を印加しながら熱電変換を行う工程と、
を有する熱電変換方法。
［９］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層と、
前記熱電変換層に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、
を備える熱電変換素子であって、
前記熱電変換層が、互いに積層された常磁性金属層及び強磁性金属層を含み、
前記一対の電極が、前記常磁性金属層に前記常磁性金属層の面内方向に互いに離間して設けられている、熱電変換素子（ただし、強磁性金属層と接するように設けられている電気的に絶縁性の磁性材料からなる層を備える熱電変換素子を除く）。
［１０］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換部に、交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、
前記熱電変換部が、前記空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導に基づき、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
［１１］ 第1の層と第２の層を含む熱電変換部を用いた熱電変換方法であって、
前記熱電変換部に交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、
前記第１の層が、流れ込んだスピン流の電子散乱が当該スピン流の極性方向に依存して異なることに基づき、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
［１２］ 熱電変換部と、
前記熱電変換部の第１方向の一端に設けられた第１の熱伝導部と、
前記熱電変換部の前記第１方向の他端に設けられた第２の熱伝導部と、
前記熱電変換部に前記第１方向に互いに離間して設けられた一対の電極と、
を備え、
前記第１の熱伝導部と前記第２の熱伝導部の間に交流成分を含む温度勾配を印加すると、前記熱電変換部に直流電気信号が生じ、当該直流電気信号が前記一対の電極によって取り出されることができる、熱電変換素子。
［１３］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子は、それぞれ熱電変換部と、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備え、
前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の一方と、前記第２の熱電変換素子の前記一対の電極の一方が、前記第１の熱電変換素子からの前記非相反熱電信号と前記第２の熱電変換素子からの前記非相反熱電信号が同極性で重畳可能なように、互いに電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
［１４］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び第２の熱電変換素子の第１方向の一端に設けられた第１の熱伝導部と、
前記第１の熱電変換素子及び第２の熱電変換素子の前記第１方向の他端に設けられた第２の熱伝導部と、
を備える、熱電変換モジュール。
［１５］ 印加された交流成分を含む温度勾配を直流電気信号に変換するための、［１３］又は［１４］に記載の熱電変換モジュール。
［１６］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子は、それぞれ熱電変換部と、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備え、
前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の一方が設けられた面と前記第２の熱電管素子の前記一対の電極の一方が設けられた面が前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電管素子の縁部を含む領域で重なっていることにより、前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の前記一方と前記第２の熱電変換素子の前記一対の電極の前記一方が電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
［１］ 第１方向に沿った熱流の入力に対して非線形の熱電応答特性を有する熱電変換部と、
前記第１方向に沿って外部から前記熱電変換部に入力された熱流に起因して前記熱電変換部で生じた熱電信号を取り出すための電極部と、
を備える、熱電変換素子。
［２］ 前記熱電変換部は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示し、
前記電極部として、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極を備える、［１］に記載の熱電変換素子。
［３］ 前記熱電変換部が、前記第１方向と直交する第２方向に沿って互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含む熱電変換層であり、
前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に前記第１方向に沿って互いに離間して設けられている、［２］に記載の熱電変換素子。
［４］ 前記一対の電極の離間距離が、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である、［２］又は［３］に記載の熱電変換素子。
［５］ 前記常磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記常磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成される、［３］又は［４］に記載の熱電変換素子。
［６］ 前記強磁性金属層が単層又は積層された複数の層からなり、前記強磁性金属層の前記単層又は前記積層された複数の層のそれぞれが、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、ＣｏＦｅＢ合金、又は（Ｇａ,Ｆｅ）Ｓｂ合金で構成されている、［３］～［５］のいずれかに記載の熱電変換素子。
［７］ ［１］～［６］のいずれかに記載の熱電変換素子を複数備え、複数の前記熱電変換素子は、各熱電変換素子からの熱電信号が同極性で重畳可能なように互いに電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
［８］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層と、前記熱電変換層に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備える熱電変換素子を準備する工程であって、前記熱電変換層が、互いに積層された強磁性金属層及び常磁性金属層を含み、前記一対の電極が、前記熱電変換層に前記熱電変換層の面内方向に互いに離間して設けられている、工程と、
前記熱電変換層の前記強磁性金属層に１Ｔ以下の磁場を印加しながら熱電変換を行う工程と、
を有する熱電変換方法。
［９］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換層と、
前記熱電変換層に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、
を備える熱電変換素子であって、
前記熱電変換層が、互いに積層された常磁性金属層及び強磁性金属層を含み、
前記一対の電極が、前記常磁性金属層に前記常磁性金属層の面内方向に互いに離間して設けられている、熱電変換素子（ただし、強磁性金属層と接するように設けられている電気的に絶縁性の磁性材料からなる層を備える熱電変換素子を除く）。
［１０］ 空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す熱電変換部に、交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、
前記熱電変換部が、前記空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導に基づき、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
［１１］ 第1の層と第２の層を含む熱電変換部を用いた熱電変換方法であって、
前記熱電変換部に交流成分を含む温度勾配を印加するステップと、
前記第１の層が、流れ込んだスピン流の電子散乱が当該スピン流の極性方向に依存して異なることに基づき、前記交流成分を含む温度勾配を熱電変換して非相反熱電信号を生成するステップと、
を有する熱電変換方法。
［１２］ 熱電変換部と、
前記熱電変換部の第１方向の一端に設けられた第１の熱伝導部と、
前記熱電変換部の前記第１方向の他端に設けられた第２の熱伝導部と、
前記熱電変換部に前記第１方向に互いに離間して設けられた一対の電極と、
を備え、
前記第１の熱伝導部と前記第２の熱伝導部の間に交流成分を含む温度勾配を印加すると、前記熱電変換部に直流電気信号が生じ、当該直流電気信号が前記一対の電極によって取り出されることができる、熱電変換素子。
［１３］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子は、それぞれ熱電変換部と、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備え、
前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の一方と、前記第２の熱電変換素子の前記一対の電極の一方が、前記第１の熱電変換素子からの前記非相反熱電信号と前記第２の熱電変換素子からの前記非相反熱電信号が同極性で重畳可能なように、互いに電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
［１４］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び第２の熱電変換素子の第１方向の一端に設けられた第１の熱伝導部と、
前記第１の熱電変換素子及び第２の熱電変換素子の前記第１方向の他端に設けられた第２の熱伝導部と、
を備える、熱電変換モジュール。
［１５］ 印加された交流成分を含む温度勾配を直流電気信号に変換するための、［１３］又は［１４］に記載の熱電変換モジュール。
［１６］ 少なくとも第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電変換素子は、それぞれ熱電変換部と、前記熱電変換部に互いに離間して設けられた、非相反熱電信号を取り出すための一対の電極と、を備え、
前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の一方が設けられた面と前記第２の熱電管素子の前記一対の電極の一方が設けられた面が前記第１の熱電変換素子及び前記第２の熱電管素子の縁部を含む領域で重なっていることにより、前記第１の熱電変換素子の前記一対の電極の前記一方と前記第２の熱電変換素子の前記一対の電極の前記一方が電気的に接続されている、熱電変換モジュール。
【0079】
【0080】
【0081】
基板４０１は、例えば図７に示すように板状又はフィルム状の部材であり、略平坦な表面４０１Ｓを有する。表面４０１Ｓは、例えば図７に示すようにＺ軸方向から見て矩形状である。基板４０１は、表面４０１Ｓ上に非線形応答層４０２を積層するための部材である。基板４０１を構成する材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、及びＡｌ等の金属、シリコン、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、並びに、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、及びポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などの樹脂を挙げることができる。
【0082】
なお、図７及び図８においては、直交座標系Ｃを示しており、基板４０１の厚さ方向にＺ軸を設定し、基板４０１の表面４０１Ｓの矩形の長辺方向及び短辺方向に、それぞれＸ軸及びＹ軸を設定している。以降の図においても必要に応じて直交座標系Ｃを示している。
【0083】
非線形応答層４０２は、第１方向であるＸ軸方向に沿った外部エネルギーの入力に対して非線形の電気応答特性を有する。当該外部エネルギーは、例えば電流及び／又は熱流である。本実施形態では、非線形応答層４０２は、第２方向であるＺ軸方向に沿って互いに積層された強磁性層４０３及び常磁性層４０５を含み、基板４０１上に強磁性層４０３が積層され、強磁性層４０３上に常磁性層４０５が積層されている。強磁性層４０３は、揺らぎ検知センサー４００の使用環境における温度において強磁性を示す材料で構成され、室温（３００Ｋ）で強磁性を示す材料で構成されることが好ましい。本実施形態では、強磁性層４０３は硬質磁性材料で構成され、自発磁化４０３Мを有し得る。また、強磁性層４０３は、高い保磁力、例えば５０ｍＴ以上の保磁力を有することが好ましい。
【0084】
また、強磁性層４０３は、強磁性金属層であることが好ましい。当該強磁性金属層は、室温（３００Ｋ）で強磁性を示す磁性金属と常磁性を示す常磁性金属からなるＬ１０型の規則合金で構成されることが好ましい。当該磁性金属は、例えば鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウム、ジスプロシウム、テルビウムのうちの少なくとも１つから構成され、当該常磁性金属は、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されることが好ましい。強磁性層４０３が、このようなＬ１０型の規則合金で構成されることによって、強磁性層４０３は、特に大きな保磁力を有し得るため、後述のような揺らぎ検知センサー４００による電流揺らぎ及び／又は熱流揺らぎのエネルギー変換を、室温・無磁場の環境で効率よく行うことができる。
【0085】
非線形応答層４０２は、例えば、平面視で（即ち、Ｚ軸方向から見て）Ｘ軸方向に沿った長辺及びＹ軸方向に沿った短辺を有する矩形状である。強磁性層４０３の厚さは、特に制限されないが、例えば１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることができる。
【0086】
常磁性層４０５は、揺らぎ検知センサー４００の使用環境における温度において常磁性を示す材料で構成されており、室温（３００Ｋ）で常磁性を示す材料で構成されていることが好ましい。また、常磁性層４０５は、常磁性金属層であることが好ましい。当該常磁性金属層は、後述のような当該常磁性金属層の内部でのスピンネルンスト効果及びスピンホール効果を高くするためにスピン軌道相互作用の高い常磁性金属で構成されていることが好ましく、この観点からＰｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されていることが好ましく、特にＰｔで構成されていることが好ましい。常磁性層４０５の厚さは、特に制限されないが、例えば１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下とすることができる。
【0087】
本実施形態では、非線形応答層４０２は、空間反転対称性の破れに基づく非相反伝導を示す。具体的には、強磁性層４０３の表面に常磁性層が設けられているが、強磁性層４０３の裏面には同様の常磁性層は設けられておらず、また、常磁性層４０５の裏面に強磁性層が設けられているが、常磁性層４０５の表面には同様の強磁性層は設けられていない。そのため、非線形応答層４０２は、Ｚ軸方向に沿って空間反転対称性が破れた構造を有している。非線形応答層４０２は、ＸＹ平面に沿った方向には、実質的に空間反転対称性を有している。そして本実施形態の非線形応答層４０２は、このＺ軸方向に沿った空間反転対称性の破れに起因して、面内（ＸＹ平面内）方向の電気伝導率について非相反性を示す。
【0088】
一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、非線形応答層４０２に非線形応答層４０２の面内（ＸＹ平面内）方向に互いに離間して設けられている。本実施形態では、一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、強磁性層４０３に接しないように常磁性層４０５に設けられており、常磁性層４０５の強磁性層４０３とは反対側の表面４０５Ｓに設けられている。一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、常磁性層４０５の面内（ＸＹ平面内）方向の一つであるＸ軸方向に沿って互いに離間している。
【0089】
一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、後述のように非線形応答層４０２から非相反電圧信号を取り出すことが可能な導電率を有する材料で構成され、そのような材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、コンスタンタン、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｕ合金、Ｔｉ／Ａｕ積層、及びＣｒ／Ａｕ積層等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性酸化物を挙げることができ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、コンスタンタン、及びＣｕ銅合金が好ましく、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｕ積層、及びＣｒ／Ａｕ積層が特に好ましい。
【0090】
一対の電極４０７ａ、４０７ｂの厚さは、特に制限されないが、例えば１０ｎｍ以上、１μｍ以下とすることができる。一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間のＸ軸方向に沿った離間距離Ｄ４０７は、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。
【0091】
また、本実施形態の揺らぎ検知センサー４００は、強磁性層４０３と接するように設けられている電気的に絶縁性の磁性材料からなる層をさらに備えていてもよいし、そのような層を備えていなくてもよい。
【0092】
このような揺らぎ検知センサー４００を製造する際は、例えば基板４０１を準備し、その表面４０１Ｓ上にＤＣマグネトロンスパッタリング法等の物理的気相成長法で強磁性層４０３を構成するための材料及び常磁性層４０５を構成するための材料をこの順に堆積して積層体を形成し、フォトリソグラフィー法及びリフトオフ法によって当該積層体を平面視で矩形状となるようにパターニングして非線形応答層４０２を形成する。その後、常磁性層４０５の表面４０５Ｓを含む領域に一対の電極４０７ａ、４０７ｂを構成するための金属材料をＤＣマグネトロンスパッタリング法等の物理的気相成長法で堆積して金属層を形成し、フォトリソグラフィー法及びリフトオフ法によって当該金属層を所定の形状にパターニングして一対の電極４０７ａ、４０７ｂを形成する。
【0093】
次に、本実施形態に係るエネルギー変換方法について説明する。図９は、本実施形態に係るエネルギー変換方法の工程を示す工程図である。図９に示すように、本実施形態に係るエネルギー変換方法は、非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１と、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２と、電流揺らぎ又は熱流揺らぎのエネルギー変換を行う工程Ｓ１３と、を有する。これらの工程について、再度図７及び図８を参照しつつ説明する。
【0094】
非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１では、図７、図８に示すような上述の揺らぎ検知センサー４００を準備する。続いて、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２では、強磁性層４０３が自発磁化４０３Мを有する状態で非線形応答層４０２に対してエネルギー変換の対象である外部からの電流揺らぎJｆ又は熱流揺らぎＨｆを、非線形応答層４０２の面内（ＸＹ平面内）方向の一つであるＸ軸方向に沿って流れるように入力する。
【0095】
本明細書において、「電流揺らぎ」とは、電流が時間的・空間的に変動する現象を指し、具体的には、ある方向（例えばＸ軸方向）の電流と、それとは反対方向（例えば－Ｘ軸方向）の電流が互いに重なり合い、時間的・空間的に正味の電流の方向が変動する状況を意味し、「熱流揺らぎ」とは、熱流が時間的・空間的に変動する現象を指し、具体的には、ある方向（例えばＸ軸方向）の熱流と、それとは反対方向（例えば－Ｘ軸方向）の熱流が互いに重なり合い、時間的・空間的に正味の熱流の方向が変動する状況を意味する。
【0096】
工程Ｓ１２において、電流揺らぎJｆが常磁性層４０５に入力されると、スピンホール効果によってスピン流ＪＳ１がＺ軸方向に沿って生成され、熱流揺らぎＨｆが常磁性層４０５に入力されると、スピンネルンスト効果によってスピン流ＪＳ１がＺ軸方向に沿って生成される。
【0097】
電流揺らぎ又は熱流揺らぎのエネルギー変換を行う工程Ｓ１３では、上述のように生成されたスピン流ＪＳ１が、自発磁化４０３Мを有する状態の強磁性層４０３内に流れ込む。スピン流ＪＳ１の極性は、電流揺らぎJｆに起因する電流の方向（即ち、ある時点・ある場所における電流揺らぎJｆの正味の電流の方向）又は熱流揺らぎＨｆに起因する熱流の方向（即ち、ある時点・ある場所における熱流揺らぎＨｆの正味の熱流の方向）に応じてＹ軸正方向又はＹ軸負方向に変化する。そのため、上記電流又は熱流の方向が反転するとスピン流ＪＳ１の極性は反転し、スピン流ＪＳ１の極性と強磁性層４０３の自発磁化４０３Мの方向との相対的な向き関係が反転する。また、強磁性層４０３の自発磁化４０３Мの方向を反転させることによって、スピン流ＪＳ１の極性と自発磁化４０３Мの方向との相対的な向き関係を反転させることもできる。
【0098】
スピン流ＪＳ１が強磁性層４０３内に流れ込むと、スピン流ＪＳ１の極性方向と強磁性層４０３の自発磁化４０３Мの方向との相対的な向きに応じて、電子散乱の態様が変化する。強磁性層４０３及び常磁性層４０５の接合界面付近におけるスピン流ＪＳ１の極性方向は上記電流又は熱流の向きに応じて変化するため、この電子散乱の態様は上記電流又は熱流の向きに応じて変化する。これによって非線形応答層４０２に生じる電気応答信号としての電圧信号に上記電流又は熱流の向き依存性、即ち非相反性が生じる。
【0099】
このように非線形応答層４０２内に生成される電気応答信号としての電圧変換信号ＪＮ１は、上述のような非線形応答層４０２の非相反伝導に起因して上記電流又は熱流の方向に対して非相反となり（即ち、電圧変換信号ＪＮ１が電流揺らぎJｆ又は熱流揺らぎＨｆの二次に比例して変化し）、上記電流又は熱流の方向がＸ軸正方向かＸ軸負方向かに関わらず、電圧変換信号ＪＮ１の方向は、Ｘ軸正方向となり、そのような非相反電圧変換信号ＪＮ１を一対の電極４０７ａ、４０７ｂを介して電気的に取り出すことができることを本願発明者らは見出した。そのため、本実施形態に係る揺らぎ検知センサー４００によれば、電流揺らぎJｆに起因する上記電流又は熱流揺らぎＨｆに起因する上熱流の方向や大きさがランダムに変化しても、非線形応答層４０２内で一定方向に非相反電圧信号ＪＮ１を生成することが可能であるため、ミクロスケールでの電流揺らぎJｆ又は熱流揺らぎＨｆからエネルギー揺らぎを検知することが可能となる。
【0100】
非線形応答層４０２に電流揺らぎJｆが入力される場合、非線形応答層４０２においては、一対の電極４０７ａ、４０７ｂによって取り出される非相反電圧信号ＪＮ１の電圧の大きさをＶ、Ｖに対応する非線形応答層４０２内に発生する電場をＥ、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間の距離をＬ（図８におけるＤ４０７）、非線形応答層４０２の距離Ｌの範囲における電流密度をｊとしたとき、電場Ｅ＝非線形電気輸送係数γ×電気抵抗率ρ×（電流密度ｊ）２の関係が成り立つ。この式の両辺に距離Ｌを掛けることにより、電圧Ｖ＝Ｌ×γ×ρ×ｊ２となるため、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間の距離Ｌが大きい程、電圧Ｖが大きくなる。そのため、上述のように一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間のＸ軸方向に沿った離間距離Ｄ４０７を好ましくは１０００μｍ以上と大きい値にすることにより、一対の電極４０７ａ、４０７ｂによって取り出される非相反電圧信号ＪＮ１が大きくなる。
【0101】
同様に、非線形応答層４０２に熱流揺らぎＨｆが入力される場合、非線形応答層４０２においては、一対の電極４０７ａ、４０７ｂによって取り出される非相反電圧信号ＪＮ１の電圧の大きさをＶ、Ｖに対応する非線形応答層４０２内に発生する電場をＥ、非線形応答層４０２の非線形ゼーベック係数をＳ、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間の距離をＬ（図８におけるＤ４０７）、非線形応答層４０２の距離Ｌの範囲における温度勾配を∇Ｔ、非線形応答層４０２の距離Ｌの範囲における温度差をΔＴとしたとき、電場Ｅ＝非線形ゼーベック係数Ｓ×（温度勾配∇Ｔ）２の関係が成り立つ。この式の両辺に距離Ｌを掛けることにより、電圧Ｖ＝非線形ゼーベック係数Ｓ×（温度差ΔＴ）２／Ｌとなるため、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間の距離Ｌが小さい程、電圧Ｖが大きくなる。そのため、上述のように一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間のＸ軸方向に沿った離間距離Ｄ４０７を好ましくは１０００μｍ以下と小さい値にすることにより、一対の電極４０７ａ、４０７ｂによって取り出される非相反電圧信号ＪＮ１が大きくなる。
【0102】
また、揺らぎ検知センサー４００は、Ｘ軸正側の端面及び／又はＸ軸負側の端面に接するように又は近接するように設けられた、電流揺らぎJｆ又は熱流揺らぎＨｆが非線形応答層４０２内に流入し易くするための熱伝導部を備えてもよい。このような熱伝導部は、例えばアルミニウム、銅、炭素繊維、サファイヤ、アルミナ、熱酸化膜付きシリコン、高分子ポリマーで構成することができる。
【0103】
図１０は、上述のような揺らぎ検知センサーを用いた揺らぎ検知センサーモジュールの構成を示す斜視図である。図１０に示すように、本実施形態に係る揺らぎ検知センサーモジュール５００は、複数の揺らぎ検知センサー４００を備え、本実施形態では４つの揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄを有する。４つの揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄは、各非線形電子輸送電圧変換素子からの非相反電圧信号ＪＮ１が同極性で重畳するように互いに電気的に接続されている。
【0104】
具体的には、揺らぎ検知センサーモジュール５００では、図７及び図８に示す揺らぎ検知センサー４００と同様の態様で直交座標系Ｃに対して配置された揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｃと、図７及び図８に示す揺らぎ検知センサー４００をＹ軸の周りに１８０度回転させた態様で直交座標系Ｃに対して配置された揺らぎ検知センサー４００ｂ、４００ｄが、Ｙ軸方向に沿って交互に設けられている。そして、揺らぎ検知センサー４００ａの電極４０７ａと揺らぎ検知センサー４００ｂの電極４０７ｂが電気的に接続され、揺らぎ検知センサー４００ｂの電極４０７ａと揺らぎ検知センサー４００ｃの電極４０７ｂが電気的に接続され、揺らぎ検知センサー４００ｃの電極４０７ａと揺らぎ検知センサー４００ｄの電極４０７ｂが電気的に接続されている。また、揺らぎ検知センサー４００ｂ、４００ｄをＹ軸の周りに１８０度回転させた態様で配置することに代えて、揺らぎ検知センサー４００ｂ、４００ｄを揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｃと同様に図７及び図８に示す揺らぎ検知センサー４００と同様の態様で直交座標系Ｃに対して配置した上で、揺らぎ検知センサー４００ｂ、４００ｄにおいて、非線形応答層４０２の強磁性層４０３と常磁性層４０５の積層順を逆にすることもできる。この場合、揺らぎ検知センサー４００ａの電極４０７ａと揺らぎ検知センサー４００ｂの電極４０７ａが電気的に接続され、揺らぎ検知センサー４００ｂの電極４０７ｂと揺らぎ検知センサー４００ｃの電極４０７ｂが電気的に接続され、揺らぎ検知センサー４００ｃの電極４０７ａと揺らぎ検知センサー４００ｄの電極４０７ａが電気的に接続される。
【0105】
また、揺らぎ検知センサーモジュール５００は、４つの揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄのＸ軸負側の端面及びＸ軸正側の端面に接するように又は近接するように設けられた熱伝導部５０１、５０２を備える。これにより、Ｘ軸方向に流れる熱流が４つの揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄのそれぞれの強磁性層４０３内に流入し易くなる。揺らぎ検知センサーモジュール５００は、熱伝導部５０１、５０２を備えなくてもよい。
【0106】
電流揺らぎ又は熱流揺らぎが４つの揺らぎ検知センサー４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、４００ｄのそれぞれの強磁性層４０３内に流入してそれぞれの揺らぎ検知センサー４００で生成された非相反電圧信号は、同極性で重畳された後に、揺らぎ検知センサー４００ａの電極４０７ｂと揺らぎ検知センサー４００ｄの電極４０７ａとによって取り出されることができるため、大きな非相反電圧信号を取り出すことが可能となる。揺らぎ検知センサーモジュール５００が、より多くの揺らぎ検知センサー４００を備えることも可能であり、この場合、より大きな非相反電圧信号を取り出すことが可能となる。
【0107】
（実施例３：電流揺らぎの入力）
次に、第２実施形態に係る発明の効果をより明確にするため、実施例３、４を用いて説明する。実施例３として、非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１に対応するように、以下のように揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。まず、基板４０１として厚さが０．５ｍｍの（１１１）配向の酸化マグネシウム基板を準備し、この基板上にＤＣ及びＲＦマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性層４０３としてＣｏをＤＣ３７Ｗで、ＰｔをＲＦ１０９Ｗで０．０４６ｎｍ／sでコスパッタ成膜し、厚さ７．５ｎｍのＬ１０型の規則合金であるＣｏＰｔ合金層を形成した。さらに、このＣｏＰｔ合金層上に、常磁性層４０５として厚さが７．５ｎｍのＰｔ層を堆積し、非線形応答層４０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、非線形応答層４０２を、平面視でホール素子形状に、即ち、平面視でＹ軸方向の幅が１０μｍ、Ｘ軸方向の長さが４０μｍの矩形部と、当該矩形部の両端部からＹ軸方向突出するそれぞれ２つの突出部を有する形状にパターン化した。その後、非線形応答層４０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって当該突出部に一対の電極４０７ａ、４０７ｂに対応する一対の電極及び当該矩形部のＸ軸方向の両端部に後述の交流電源４１８のための一対の電極４０８ａ、４０８ｂを形成し、揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。
次に、第２実施形態に係る発明の効果をより明確にするため、実施例３、４を用いて説明する。実施例３として、非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１に対応するように、以下のように揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。まず、基板４０１として厚さが０．５ｍｍの（１１１）配向の酸化マグネシウム基板を準備し、この基板上にＤＣ及びＲＦマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性層４０３としてＣｏをＤＣ３７Ｗで、ＰｔをＲＦ１０９Ｗで０．０４６ｎｍ／sでコスパッタ成膜し、厚さ７．５ｎｍのＬ１０型の規則合金であるＣｏＰｔ合金層を形成した。さらに、このＣｏＰｔ合金層上に、常磁性層４０５として厚さが７．５ｎｍのＰｔ層を堆積し、非線形応答層４０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、非線形応答層４０２を、平面視でホール素子形状に、即ち、平面視でＹ軸方向の幅が１０μｍ、Ｘ軸方向の長さが４０μｍの矩形部と、当該矩形部の両端部からＹ軸方向突出するそれぞれ２つの突出部を有する形状にパターン化した。その後、非線形応答層４０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって当該突出部に一対の電極４０７ａ、４０７ｂに対応する一対の電極及び当該矩形部のＸ軸方向の両端部に後述の交流電源４１８のための一対の電極４０８ａ、４０８ｂを形成し、揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。
【0108】
次に、このように作成した素子に関して、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２及び電流揺らぎ又は熱流揺らぎのエネルギー変換を行う工程Ｓ１３に対応する実験を行った。具体的には、当該素子に対して、室温（３００Ｋ）において、工程Ｓ１２に対応するように電流揺らぎを入力し、一対の電極４０７ａ、４０７ｂから出力される非相反電圧信号ＪＮ１を測定する実験を行った。図１１は、非相反電圧信号ＪＮ１を測定する実験方法を示す概略図である。図１１に示すように、揺らぎ検知センサー４００に設けた一対の電極４０８ａ、４０８ｂ間に交流電源４１８を電気的に接続した。また、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間にロックインアンプ４３０を電気的に接続した。
【0109】
そして、実施例３の揺らぎ検知センサーに対してＹ軸負方向に印加する外部磁場Ｂの大きさを、２Ｔから－２Ｔまで変化させながら、Ｘ軸に沿った方向に角周波数ωの正弦波的に変化する交流電流を与えた。そして、実施例３の揺らぎ検知センサーで生成される電圧信号のうち、交流電流の２倍周波数に対応する電圧信号の変化量のｙ成分であるΔＶ２ω、ｙをロックインアンプ４３０で検出した。
【0110】
交流電流についてより具体的には、ωを角周波数、ｔを時間としたとき、交流電源４１８によって、揺らぎ検知センサー４００に対してＸ軸に沿った方向にＩＡＣ＝（√２）Ｉｒｍｓｓｉｎ（ωｔ）で表される交流電流を印加した（Ｉｒｍｓは、交流電流の実効値を意味する）。Ｉｒｍｓが０．０１ｍＡとなる場合と、Ｉｒｍｓが２．７７ｍＡとなる場合のそれぞれについて実験を行った。交流電源４１８として、米国Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ， Ｉｎｃ製の６２２１型ＡＣ／ＤＣ電流ソースを用い、ロックインアンプ４３０として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製のロックインアンプＬＩ５６４０を用いた。また、交流電源４１８で印加する上記交流電圧の周波数ｆ（＝ω／２π）を１３．４２３Ｈｚとした。ロックインアンプ４３０のロックイン条件として時定数を１秒、スロープを－２４ｄＢとした。
【0111】
図１２は、実施例３の上記実験の結果として得られた電圧信号ΔＶ２ω、ｙの外部磁場Ｂ依存を示す図である。実施例３の揺らぎ検知センサーに与えられたIＡＣは正弦波的に変化するため、実施例３の揺らぎ検知センサーに流れる電流の時間平均はゼロ（即ち、＜ＩＡＣ＞＝０）であり、IＡＣは、ミクロスケールでの電流揺らぎJｆに対応する。そして、もしも実施例３の揺らぎ検知センサーから出力される電圧信号が交流電流IＡＣの極性に対して線形となる場合、交流電流IＡＣの２倍周波数に対応する電圧信号ΔＶ２ω、ｙは、交流電流IＡＣの正位相と逆位相に対応する電圧信号が打ち消し合うため、ゼロとなるのに対して、実施例３の揺らぎ検知センサーから出力される電圧信号が交流電流IＡＣの極性に対して非線形（非相反）となる場合、電圧信号ΔＶ２ω、ｙは有限の値となる。
【0112】
本実験では、図１２に示されるように、Ｉｒｍｓが２．７７ｍＡの場合、外部磁場Ｂが印加されている際に、有限の値のΔＶ２ω、ｙが検出され、外部磁場Ｂの極性が反転するとΔＶ２ω、ｙの極性も反転した。また、図１２中に矢印で示すように、外部磁場Ｂの印加に対して電圧信号ΔＶ２ω、ｙはヒステリシスを有し、外部磁場Ｂがゼロの時でも電圧信号ΔＶ２ω、ｙは有意な値を示すことが明らかとなった。これにより、実施例３の揺らぎ検知センサーは、電流の方向に対して非相反に電圧信号を生成することが可能であるため、電流の時間平均がゼロであっても電流揺らぎJｆから非相反電圧信号にエネルギー変換を、外部磁場を印加しない状況下であっても行うことが可能であることが示された。
【0113】
（実施例４：熱流揺らぎの入力）
次に、実施例４について実験を行った。実施例４として、非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１に対応するように、以下のように揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。まず、基板４０１として厚さが０．５ｍｍの（１１１）配向の酸化マグネシウム基板を準備し、この基板上にＤＣ及びＲＦマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性層４０３としてＣｏをＤＣ３７Ｗで、ＰｔをＲＦ１０９Ｗで０．０４６ｎｍ／sでコスパッタ成膜し、厚さ７．５ｎｍのＬ１０型の規則合金であるＣｏＰｔ合金層を形成した。さらに、このＣｏＰｔ合金層上に、常磁性層４０５として厚さが５ｎｍのＰｔ層を堆積し、非線形応答層４０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、非線形応答層４０２をＹ軸方向の幅が７．５μｍ、Ｘ軸方向の長さが６０μｍの平面視で矩形状にパターン化した。その後、非線形応答層４０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって一対の電極４０７ａ、４０７ｂに対応する一対の電極を形成し、揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。
次に、実施例４について実験を行った。実施例４として、非線形応答層を有する揺らぎ検知センサーを準備する工程Ｓ１１に対応するように、以下のように揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。まず、基板４０１として厚さが０．５ｍｍの（１１１）配向の酸化マグネシウム基板を準備し、この基板上にＤＣ及びＲＦマグネトロンスパッタリング法によって、強磁性層４０３としてＣｏをＤＣ３７Ｗで、ＰｔをＲＦ１０９Ｗで０．０４６ｎｍ／sでコスパッタ成膜し、厚さ７．５ｎｍのＬ１０型の規則合金であるＣｏＰｔ合金層を形成した。さらに、このＣｏＰｔ合金層上に、常磁性層４０５として厚さが５ｎｍのＰｔ層を堆積し、非線形応答層４０２を形成した。その後、フォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって、非線形応答層４０２をＹ軸方向の幅が７．５μｍ、Ｘ軸方向の長さが６０μｍの平面視で矩形状にパターン化した。その後、非線形応答層４０２上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によってＴｉ／Ａｕ層を堆積し、当該Ｔｉ／Ａｕ層をフォトリソグラフィー法とリフトオフ法によって所定の形状にパターン化することによって一対の電極４０７ａ、４０７ｂに対応する一対の電極を形成し、揺らぎ検知センサー４００に対応する素子を作製した。
【0114】
次に、このように作成した素子に関して、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２及び電流揺らぎ又は熱流揺らぎのエネルギー変換を行う工程Ｓ１３に対応する実験を行った。具体的には、当該素子に対して、室温（３００Ｋ）において、工程Ｓ１２として熱流揺らぎＨｆを入力し、一対の電極４０７ａ、４０７ｂから出力される非相反電圧信号ＪＮ１を測定する実験を行った。図１３に示すように、実施例４の揺らぎ検知センサー４００に対応する素子のＸ軸負方向の端部に隣接して第１の抵抗ヒーター４１０を設け、当該素子のＸ軸正方向の端部に隣接して第２の抵抗ヒーター４１１を設けた。そして、第１の抵抗ヒーター４１０及び第２の抵抗ヒーター４１１に、第１の電源４２０及び第２の電源４２１をそれぞれ電気的に接続した。また、一対の電極４０７ａ、４０７ｂ間にロックインアンプ４３０を電気的に接続した。
【0115】
そして、実施例４の揺らぎ検知センサーに対してＹ軸負方向に印加する外部磁場Ｂの大きさを、２Ｔから－２Ｔまで変化させながら、第１の抵抗ヒーター４１０及び第２の抵抗ヒーター４１１によって実施例４の揺らぎ検知センサーに対してＸ軸に沿った方向に角周波数ωの正弦波的に変化する交流温度勾配ΔＴＡＣを与えた。そして、実施例４の揺らぎ検知センサーで生成される熱電信号のうち、交流温度勾配ΔＴＡＣの２倍周波数に対応する熱電信号の変化量のｙ成分であるΔＶ２ω、ｙをロックインアンプ４３０で検出した。
【0116】
交流温度勾配ΔＴＡＣについて、より具体的には、ωを角周波数、ｔを時間としたとき、第１の電源４２０によって第１の抵抗ヒーター４１０に対して、Ｖｄｃ＋Ｖａｃｓｉｎ（ωｔ）の交流電圧を印加し、それとは逆位相であるＶｄｃ－Ｖａｃｓｉｎ（ωｔ）の交流電圧を第２の電源４２１によって第２の抵抗ヒーター４１１に印加した。これにより、揺らぎ検知センサー４００に対してＸ軸に沿った方向にΔＴＡＣ＝（√２）ΔＴｒｍｓｓｉｎ（ωｔ）で表される交流温度勾配を印加した（ΔＴｒｍｓは、交流温度勾配の実効値）。第１の電源４２０及び第２の電源４２１として、株式会社エヌエフ回路設計ブロック製の電圧源装置ＷＦ１９４８を用い、ロックインアンプ４３０として株式会社エヌエフ回路設計ブロック製のロックインアンプＬＩ５６４０を用いた。また、第１の電源４２０及び第２の電源４２１で印加する上記交流電圧の周波数ｆ（＝ω／２π）を３．７２３Ｈｚとした。ロックインアンプ４３０のロックイン条件として、時定数を１秒、スロープを－２４ｄＢとした。
【0117】
図１４は、実施例４の上記実験の結果として得られた電圧信号ΔＶ２ω、ｙの外部磁場Ｂ依存を示す図である。実施例４の揺らぎ検知センサーに与えられたΔＴＡＣは正弦波的に変化するため、マクロスケールで見ると実施例４の揺らぎ検知センサーに温度勾配は実質的に与えられないことになり、ΔＴＡＣは、ミクロスケールでの温度揺らぎに対応する。そして、もしも実施例４の揺らぎ検知センサーから出力される電圧信号が交流温度勾配ΔＴＡＣの極性に対して線形となる場合、交流温度勾配ΔＴＡＣの２倍周波数に対応する電圧信号ΔＶ２ω、ｙは、交流温度勾配ΔＴＡＣの正位相と逆位相に対応する熱電信号が打ち消し合うため、ゼロとなるのに対して、実施例４の揺らぎ検知センサーから出力される電圧信号が交流温度勾配ΔＴＡＣの極性に対して非線形（非相反）となる場合、電圧信号ΔＶ２ω、ｙは有限の値となる。
【0118】
本実験では、図１４に示されるように、外部磁場Ｂが印加されている場合、有限の値のΔＶ２ω、ｙが検出され、外部磁場Ｂの極性が反転するとΔＶ２ω、ｙの極性も反転した。また外部磁場Ｂがゼロの時でも電圧信号ΔＶ２ω、ｙは有意な値を示すことが明らかとなった。これにより、実施例４の揺らぎ検知センサーは、温度勾配の方向に対して非相反に電圧信号を生成することが可能であるため、マクロスケールでは温度勾配が実質的に存在しないミクロスケールでの熱流揺らぎＨｆから非相反電圧信号にエネルギー変換を行うことが可能であることが示された。
【0119】
本発明は上述の第２実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【0120】
例えば、上述の第２実施形態では揺らぎ検知センサー４００は基板４０１を備えているが（図７及び図８参照）、揺らぎ検知センサー４００は基板４０１を備えていなくてもよい。この場合、非線形応答層４０２を自立層として形成することができる。
【0121】
また、上述の第２実施形態では、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２において、電流揺らぎJｆ及び熱流揺らぎＨｆのいずれかを非線形応答層４０２に入力していたが（図７及び図８参照）、電流揺らぎJｆ及び熱流揺らぎＨｆの両方を重畳的に非線形応答層４０２に入力してもよい。
【0122】
また、上述の第２実施形態では、非線形応答層に電流揺らぎ又は熱流揺らぎを入力する工程Ｓ１２及び電流揺らぎ又は熱流揺らぎのエネルギー変換を行う工程Ｓ１３は、強磁性層４０３が自発磁化４０３Мを有する状態で行われるが、強磁性層４０３を軟質磁性材料で構成し、強磁性層４０３に外部磁場を印加して強磁性層４０３を自発磁化４０３Мと同等に磁化しながら、これらの工程を行ってもよい。
【0123】
また、上述の第２実施形態では、一対の電極４０７ａ、４０７ｂを、強磁性層４０３に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、常磁性層４０５の表面４０５Ｓに設けているが（図７及び図８参照）、強磁性層４０３に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、常磁性層４０５のＸ軸正負方向の側面にそれぞれ設けてもよい。
【0124】
また、上述の第２実施形態では常磁性層４０５は単層であったが（図７及び図８参照）、常磁性層４０５は、積層された複数の常磁性金属の層からなってもよい。この場合、当該複数の層のそれぞれが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、ＡｕＷ合金、Ｔａ、ＣｕＩｒ合金、ＣｕＢｉ合金、ＢｉＳｂ合金、又はＢｉＳｅ合金で構成されることが好ましい。このような積層された複数の常磁性金属の層としては、例えば、複数種類の常磁性金属からなる層を互いに周期的に積層した積層体（例えば、第１の常磁性金属からなる層を層Ｄ、第２の常磁性金属からなる層を層Ｅ、及び第３の常磁性金属からなる層を層Ｆとしたとき、層Ｄ層Ｅ層Ｆ層Ｄ層Ｅ層Ｆ・・・のように３種の層を周期的に積層した積層体）や、複数種類の常磁性金属からなる層を互いにランダムに積層した積層体（例えば、層Ｄ層Ｅ層Ｆ層Ｅ層Ｄ層Ｆ・・・のように３種の層をランダムに積層した積層体）とすることができる。上記積層された複数の常磁性金属の層は、互いに同じ符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。これにより、非線形応答層４０２におけるエネルギー変換の際、複数の常磁性金属の層のそれぞれに起因する非相反電圧信号が互いに打ち消し合うことがなくなるため、非相反電圧信号を全体として増大させることができるためである。
【0125】
また、上述の第２実施形態では非線形応答層４０２は、常磁性金属層等の常磁性層を１層（常磁性層４０５）のみ備えていたが（図７及び図８参照）、非線形応答層４０２は、常磁性金属層等の第１の常磁性層と常磁性金属層等の第２の常磁性層を備えていてもよい。この場合、第１の常磁性層と第２の常磁性層の間に強磁性層４０３が介在するように第１の常磁性層、強磁性層４０３及び第２の常磁性層がこの順にＺ軸方向に沿って積層されて非線形応答層４０２が構成される。第１の常磁性層と第２の常磁性層の好ましい構成材料は常磁性層４０５と同様だが、非線形応答層４０２がＺ軸方向に沿って空間反転対称性が破れた構造を有するように第１の常磁性層と第２の常磁性層の構成（構成材料及び膜厚等）が選択されることが好ましい。
【0126】
この場合、第１の常磁性層と第２の常磁性層は、互いに逆符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。（例えば、第１の常磁性層をＰｔで構成し、第２の常磁性層をＴａで構成することによって、これを実現することができる。）これにより、非線形応答層４０２におけるエネルギー変換の際、第１の常磁性層と第２の常磁性層のそれぞれから強磁性層４０３に、同じ向きの極性を有するスピン流が注入されるため、非相反電圧信号を増大させることができるためである。
【0127】
さらに、この場合、第１の常磁性層と第２の常磁性層のそれぞれ又はいずれかは、上述のように積層された複数の常磁性金属の層からなってもよい。この場合、第１の常磁性層と第２の常磁性層のそれぞれ又はいずれかを構成する複数の常磁性金属の層は、上述の理由により互いに同じ符号のスピンネルンスト角を持つことが好ましい。
【0128】
また、上述の第２実施形態では一対の電極４０７ａ、４０７ｂは常磁性層４０５の表面４０５Ｓに設けられているが（図７及び図８参照）、一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、常磁性層４０５に接しないように、かつ、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、強磁性層４０３の裏面（Ｚ軸負側の面）に設けられていてもよい。
【0129】
また、上述の第２実施形態では基板４０１上に強磁性層４０３及び常磁性層４０５がこの順に積層されて非線形応答層４０２を構成しているが（図７及び図８参照）、基板４０１上に常磁性層４０５及び強磁性層４０３をこの順に積層して非線形応答層４０２を構成してもよい。この場合、一対の電極４０７ａ、４０７ｂは、Ｘ軸方向に沿って互いに離間するように、強磁性層４０３の表面（Ｚ軸正側の面）又は４０５の裏面（Ｚ軸負側の面）に設けることができる。
【0130】
本開示の揺らぎ検知センサーは、以下の構成を有する。
［１］ 第１方向に沿った外部エネルギーの入力に対して非線形の電気応答特性を有する非線形応答部と、
前記第１方向に沿って外部から前記非線形応答部に入力されたエネルギー揺らぎに起因して前記非線形応答部で生じた電気応答信号を取り出すための電極部と、
を備える、揺らぎ検知センサー。
［２］ 前記外部エネルギーが、電流及び／又は熱流であり、前記エネルギー揺らぎが、電流揺らぎ及び／又は熱流揺らぎである、［１］に記載の揺らぎ検知センサー。
［３］ 前記外部エネルギーが、電流であり、前記エネルギー揺らぎが、電流揺らぎである、［１］又は［２］に記載の揺らぎ検知センサー。
［４］ 前記非線形応答部は、前記第１方向と直交する第２方向に沿って空間反転対称性が破れた構成を有する、［１］～［３］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［５］ 前記非線形応答部は、前記第２方向に沿って互いに積層された強磁性層及び常磁性層を含む、［１］～［４］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［６］ 前記強磁性層は、自発磁化を有し得るように構成されている、［１］～［５］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［７］ 前記強磁性層は、強磁性金属層であり、磁性金属と常磁性金属からなるＬ１０型の規則合金で構成され、前記常磁性層は、常磁性金属層である、［１］～［６］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［１］ 第１方向に沿った外部エネルギーの入力に対して非線形の電気応答特性を有する非線形応答部と、
前記第１方向に沿って外部から前記非線形応答部に入力されたエネルギー揺らぎに起因して前記非線形応答部で生じた電気応答信号を取り出すための電極部と、
を備える、揺らぎ検知センサー。
［２］ 前記外部エネルギーが、電流及び／又は熱流であり、前記エネルギー揺らぎが、電流揺らぎ及び／又は熱流揺らぎである、［１］に記載の揺らぎ検知センサー。
［３］ 前記外部エネルギーが、電流であり、前記エネルギー揺らぎが、電流揺らぎである、［１］又は［２］に記載の揺らぎ検知センサー。
［４］ 前記非線形応答部は、前記第１方向と直交する第２方向に沿って空間反転対称性が破れた構成を有する、［１］～［３］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［５］ 前記非線形応答部は、前記第２方向に沿って互いに積層された強磁性層及び常磁性層を含む、［１］～［４］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［６］ 前記強磁性層は、自発磁化を有し得るように構成されている、［１］～［５］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
［７］ 前記強磁性層は、強磁性金属層であり、磁性金属と常磁性金属からなるＬ１０型の規則合金で構成され、前記常磁性層は、常磁性金属層である、［１］～［６］のいずれかに記載の揺らぎ検知センサー。
【符号の説明】
【0131】
２００…熱電変換素子、２０２…熱電変換層、２０３…強磁性金属層、２０５…常磁性金属層、２０７ａ、２０７ｂ…一対の電極。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
