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論文

Tolerance of spin-Seebeck thermoelectricity against irradiation by swift heavy ions

岡安 悟; 針井 一哉*; 小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 石田 真彦*; 家田 淳一; 齊藤 英治

Journal of Applied Physics, 128(8), p.083902_1 - 083902_7, 2020/08

The ion-irradiation tolerance of thermoelectric devices based on the spin Seebeck effect (SSE) was investigated by using 320 MeV gold ion (Au$$^{24+}$$) beams modeling cumulative damages due to fission products emitted from the surface of spent nuclear fuels. For this purpose, prototypical Pt/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$/Gd$$_3$$Ga$$_5$$O$$_{12}$$ SSE elements were irradiated with varying the dose level at room temperature and measured the SSE voltage of them. We confirmed that the thermoelectric and magnetic properties of the SSE elements are not affected by the ion-irradiation up to $$10^{10}$$ ions/cm$$^2$$ fluence and that the SSE signal is extinguished around $$10^{12}$$ ions/cm$$^2$$, in which the ion tracks almost fully cover the sample surface. We also performed the hard X-ray photoemission spectroscopy (HAXPES) measurements to understand the effects at the interface of Pt/Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$. The HAXPES measurements suggest that the chemical reaction that diminishes the SSE signals is enhanced with the increase of the irradiation dose. The present study demonstrates that SSE-based devices are applicable to thermoelectric generation even in harsh environments for a long time period.

論文

Hard X-ray photoelectron spectroscopy study of Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$

小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 川崎 郁斗; 岡根 哲夫; 山上 浩志; 矢板 毅; 針井 一哉; 家田 淳一; 岡安 悟; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 30, p.011192_1 - 011192_6, 2020/03

スピンゼーベック効果を示す系として注目されているPt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$(YIG)系に対し、放射光を用いた硬X線光電子分光(HAXPES)により表面及び界面の電子状態測定を行った。本系ではスピンゼーベック効果のほかに特異な性質を示すことが報告されている。例えば、外部磁場が存在しない状況でもホール効果を発現する。この起源として、YIG中のFe$$^{3+}$$イオンがPt膜に染み出し、磁性を持つ金属間化合物を生成している可能性が提案されている。そこでHAXPESの分析深さを利用し、界面近傍の鉄イオン等の電子状態を測定した。Ptの厚みが2nm, 5nm, 8nm, 10nmの試料を測定したところ、2nmと5nmの試料において鉄イオンの分析を行うことができた。Fe 1s光電子スペクトルからは、鉄イオンが3+のものと金属的な0価に近い2つの状態が存在することが判明し、上記の可能性を支持する結果が得られた。Pt 4fやO 1sスペクトルなども測定しており、詳しい結果は当日報告する。

論文

Study on optical properties of metallic sodium by vacuum ultra violet in UVSOR

河口 宗道; 斉藤 淳一; 大道 博行*; 末元 徹*

UVSOR-46, P. 89, 2019/08

本研究は、真空紫外光が金属ナトリウムを透過する現象を理論的に解明するために、UVSORを利用して正確なスペクトルを取得するのが目的である。特別な容器を設計製作することにより、ナトリウム試料は測定時においても金属光沢を維持していることを確認した。UVSORの測定の結果から、MgF$$_2$$窓に真空紫外光を透過しにくい層が出来てしまった可能性が示されたので、今後解決して再測定を行う計画である。

論文

Dry cleaning process test for fuel assembly of fast reactor plant system, 1; Pilot scale test for fuel pin bundle

工藤 秀行*; 大谷 雄一*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章; 井手 章博*

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05

次世代ナトリウム冷却炉では、プラント経済性向上の観点から、使用済燃料の洗浄プロセスとして革新的な乾式洗浄プロセスを採用している。本論文は、グローブボックス内において、燃料ピンバンドルを模擬した試験体を用いた、ナトリウムを試験体の共存性、残存ナトリウム量に係る基礎試験の結果を報告するものである。

論文

Dry cleaning process test for fuel assembly of fast reactor plant system, 2; Laboratory scale test for fuel assembly and evaluation of the amount of residual sodium

井手 章博*; 工藤 秀行*; 犬塚 泰輔*; 原 正秀*; 加藤 篤志; 石川 信行; 大高 雅彦; 永井 桂一; 斉藤 淳一; 荒 邦章

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05

次世代ナトリウム冷却炉では経済性向上のために革新的な使用済み燃料の乾式洗浄プロセスを採用しており、本稿はナトリウムループを使った燃料バンドル規模の試験の結果を報告する。

論文

Estimation of mitigation effects of sodium nanofluid for SGTR accidents in SFR

市川 健太*; 神田 大徳; 吉岡 直樹*; 荒 邦章; 斉藤 淳一; 永井 桂一

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 6 Pages, 2018/07

ナトリウム自身の反応抑制の研究は、液体ナトリウム(ナトリウムナノ流体)中へのナノ粒子分散の概念に基づいてなされた。ナトリウムナノ流体の実験結果から、ナノ流体の水反応の反応速度と反応熱量はナトリウムのそれらより低いことが明らかになった。ナトリウムナノ流体-水反応ジェットのピークの温度の解析モデルは、われわれによって前述の抑制効果を考慮して開発された。本論文では反応ジェットのピークの温度予測に、この解析モデルを適用し蒸気発生器伝熱管断裂(SGTR)事故の隣接した伝熱管損傷の緩和効果の予測方法を準備した。ナトリウムナノ流体がナトリウム高速炉の2次系冷却材のために使われるとして、設計基準事故事象の緩和効果とSGTRの設計拡張状態をこの方法を用いて推定した。その結果、2次系冷却材でナトリウムナノ流体を用いて損傷を受けた伝熱管の数を減らし、SGTR事故によって発生する圧力を抑制する可能性が得られた。

論文

塩化カルシウムを用いた金属ナトリウムの消火/処理方法の開発

阿部 雄太; 永井 桂一; 真家 光良*; 中野 菜都子*; 川島 裕一*; 武末 尚久*; 斉藤 淳一

第23回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2018/06

ナトリウム火災ではナトレックスで窒息消火させるが、消火能力の向上や純ナトリウムの安定化を目指した消火手法を考案した。もんじゅ等の高速炉やナトリウム施設の廃止では大量ナトリウム処理でのアルカリ廃液及び水素管理が課題となる。ナトリウムは電気陰性度が他の金属より小さいため高い化学的活性度である。Na$$^{+}$$を塩化カルシウムのCl$$^{-}$$とイオン結合させ、中性かつ安定な塩化ナトリウムを生成する消火/処理方法を考案した。基礎的特性(熱分析, 元素分析等)と小規模試験から、適用が期待できる結果を得た。

論文

「高速炉冷却材液体金属ナトリウムの化学的活性度抑制技術」の紹介

斉藤 淳一

日本機械学会動力エネルギーシステム部門ニュースレター, (56), p.2 - 3, 2017/09

液体金属ナトリウムは伝熱流動性、構造材との良好な共存性などの多くの冷却媒体として優れた特性を有していることから、高速炉の冷却材として使用されている。一方で酸素や水と反応しやすく、その際の反応熱量が大きく、反応速度が速いという化学的活性度が高い。そこで、ナトリウム自身の化学的活性度を抑制するというアイデアを創出し、その研究開発を進めてきた。その結果、ナノ粒子分散ナトリウムの化学的活性度の抑制が確認され、プラントの安全性が向上し、通常運転を超える厳しい条件での事故時にも裕度を持って対応が可能となる見通しが得られている。これまでに取得したナノ流体の主な反応抑制よりプラントへの効果について述べる。

論文

Study on the deterioration mechanism of layered rock-salt electrodes using epitaxial thin films; Li(Ni, Co, Mn)O$$_{2}$$ and their Zr-O surface modified electrodes

阿部 真知子*; 射場 英紀*; 鈴木 耕太*; 南嶋 宏映*; 平山 雅章*; 田村 和久; 水木 純一郎*; 齋藤 智浩*; 幾原 雄一*; 菅野 了次*

Journal of Power Sources, 345, p.108 - 119, 2017/03

 被引用回数:8 パーセンタイル:49.16(Chemistry, Physical)

Ni, Co, Mn三元系リチウムイオン電池正極材料について、その劣化機構について、電気化学測定、X線・中性子線測定により調べた。実験の結果、Ni, Co, Mn三元系正極は、層状岩塩型構造とスピネル構造で構成されており、充放電を繰り返すと、充放電に関与しないスピネル構造が表面を覆っていくことが分かった。一方で、Zr-Oで表面をコートした材料は劣化しないことが知られており、その原因を調べた結果、層状岩塩型構造が安定に存在し続けていることが分かった。さらに、電極/溶液界面のLi濃度を上昇していることも分かった。

論文

Gamma radiation resistance of spin Seebeck devices

Yagmur, A.*; 内田 健一*; 井原 和紀*; 井岡 郁夫; 吉川 貴史*; 小野 円佳*; 遠藤 純一*; 柏木 王明*; 中島 哲也*; 桐原 明宏*; et al.

Applied Physics Letters, 109(24), p.243902_1 - 243902_4, 2016/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:91.96(Physics, Applied)

スピンゼーベック効果(SSE)に基づく熱電素子の$$gamma$$線抵抗性を調べるため、約3$$times$$10$$^{5}$$Gyの$$gamma$$線照射試験を実施した。SSE素子には、Pt/Ni$$_{0.2}$$Zn$$_{0.3}$$Fe$$_{2.5}$$O$$_{4}$$/GlassとPt/Bi$$_{0.1}$$Y$$_{2.9}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$/Gd$$_{3}$$Ga$$_{5}$$O$$_{12}$$を用いた。SSE素子の熱電特性,磁気特性、構造は、$$gamma$$線照射により影響されないことを確認した。この結果は、SSE素子が厳しい照射環境でさえ熱電素子として適用可能なことを示した。

論文

Spin hydrodynamic generation

高橋 遼*; 松尾 衛; 小野 正雄; 針井 一哉; 中堂 博之; 岡安 悟; 家田 淳一; 高橋 三郎*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Nature Physics, 12, p.52 - 56, 2016/01

 被引用回数:43 パーセンタイル:6.24(Physics, Multidisciplinary)

Magnetohydrodynamic generation is the conversion of fluid kinetic energy into electricity. Such conversion, which has been applied to various types of electric power generation, is driven by the Lorentz force acting on charged particles and thus a magnetic field is necessary. On the other hand, recent studies of spintronics have revealed the similarity between the function of a magnetic field and that of spin-orbit interactions in condensed matter. This suggests the existence of an undiscovered route to realize the conversion of fluid dynamics into electricity without using magnetic fields. Here we show electric voltage generation from fluid dynamics free from magnetic fields; we excited liquid-metal flows in a narrow channel and observed longitudinal voltage generation in the liquid. This voltage has nothing to do with electrification or thermoelectric effects, but turned out to follow a universal scaling rule based on a spin-mediated scenario. The result shows that the observed voltage is caused by spin-current generation from a fluid motion: spin hydrodynamic generation. The observed phenomenon allows us to make mechanical spin-current and electric generators, opening a door to fluid spintronics.

論文

Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers

Ramos, R.*; 吉川 貴史*; Aguirre, M.*; Lucas, I.*; Anad$'o$n, A.*; 小宅 教文*; 内田 健一*; 安立 裕人; 塩見 淳一郎*; Algarabel, P. A.*; et al.

Physical Review B, 92(22), p.220407_1 - 220407_5, 2015/12

 被引用回数:48 パーセンタイル:8.17(Materials Science, Multidisciplinary)

Spin Seebeck effects have been investigated in highly crystalline magnetic multilayer films. Voltage as well as power generated by the spin Seebeck effect were found to be significantly enhanced with increasing the number of layers, $$n$$. This voltage enhancement defies the simple understanding of the spin Seebeck effect and suggests that spin current flowing between the magnetic layers in the thickness direction plays an important role in the multilayer SSE systems and the observed voltage enhancement.

論文

Barnett effect in paramagnetic states

小野 正雄; 中堂 博之; 針井 一哉; 岡安 悟; 松尾 衛; 家田 淳一; 高橋 遼*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(17), p.174424_1 - 174424_4, 2015/11

 被引用回数:15 パーセンタイル:34.83(Materials Science, Multidisciplinary)

We report the observation of the Barnett effect in paramagnetic states by mechanically rotating gadolinium (Gd) metal with a rotational frequency of up to 1.5 kHz above the Curie temperature. An in situ magnetic measurement setup comprising a high-speed rotational system and a fluxgate magnetic sensor was developed for the measurement. Temperature dependence of the observed magnetization follows that of paramagnetic susceptibility, indicating that any emergent magnetic field is proportional to the rotational frequency and is independent of temperature. From the proportionality constant of the emergent field, the gyromagnetic ratio of Gd is calculated to be -29 $$pm$$ 5 GHz/T. This study revisits the primordial issue of magnetism with modern technologies to shed new light on the fundamental spin-rotation coupling.

論文

The Promising features of new nano liquid metals; Liquid sodium containing titanium nanoparticles (LSnanop)

伊丹 俊夫*; 斉藤 淳一; 荒 邦章

Metals, 5(3), p.1212 - 1240, 2015/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:90.24(Materials Science, Multidisciplinary)

新しい種類の分散液体は、電子顕微鏡観察により決めたチタンナノ粒子(10nm)を液状ナトリウム中に分散することによって開発された。体積分率は、分析されたチタン濃度(2%)からチタンとナトリウムの密度の0.0088であると見積もられた。この分散液体(チタンナノ粒子を含む液体ナトリウム)の多くの顕著な特徴は、少量のチタンナノ粒子にもかかわらず、原子量のための理想溶液からの3.9%の負の偏差、17%の表面張力の増加、11%の水との反応熱量の減少、そして、水と酸素との化学的反応性の抑制である。水への反応熱の低下はLSnanopの過剰な凝集エネルギーの存在に起因すると思われる。過剰な凝集エネルギーは遮蔽効果に特に重点を置いて、簡単な理論的な分析に基づいて議論した。反応の抑制は、水に対する反応熱の低下や過剰な凝集エネルギー、表面張力、チタン酸化物のプラグとしての役割、LSnanopの表面の負の吸着及び浸透に関連して議論された。

論文

Enhancement of anomalous Nernst effects in metallic multilayers free from proximity-induced magnetism

内田 健一*; 吉川 貴史*; 関 剛斎*; 小宅 教文*; 塩見 淳一郎*; Qiu, Z.*; 高梨 弘毅*; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(9), p.094414_1 - 094414_6, 2015/09

 被引用回数:46 パーセンタイル:8.44(Materials Science, Multidisciplinary)

The anomalous Nernst effect (ANE) has been investigated in alternately stacked multilayer films comprising paramagnetic and ferromagnetic metals. We found that the ANE is enhanced by increasing the number of the paramagnet/ferromagnet interfaces and keeping the total thickness of the films constant, and that the enhancement appears even in the absence of magnetic proximity effects; similar behavior was observed not only in Pt/Fe multilayers but also in Au/Fe and Cu/Fe multilayers free from proximity ferromagnetism. This universal enhancement of the ANE in metallic multilayers suggests the presence of unconventional interface-induced thermoelectric conversion in the Fe films attached to the paramagnets.

論文

Intrinsic surface magnetic anisotropy in Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ as the origin of low-magnetic-field behavior of the spin Seebeck effect

内田 健一*; 大江 純一郎*; 吉川 貴史*; 大門 俊介*; Hou, D.*; Qiu, Z.*; 齊藤 英治

Physical Review B, 92(1), p.014415_1 - 014415_8, 2015/07

 被引用回数:22 パーセンタイル:22.87(Materials Science, Multidisciplinary)

The magnetic-field dependence of the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in a Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ (YIG)-slab junction system was found to deviate from a bulk magnetization curve of the YIG slab in a low field range. In this paper, we show that the deviation originates from the difference between surface and bulk magnetization processes in the YIG slab and that it appears even when removing possible extrinsic magnetic anisotropy due to surface roughness and replacing the Pt layer with different materials. This result indicates that the anomalous field dependence of the LSSE is due to an intrinsic magnetic property of the YIG surface. Our numerical calculation based on the Landau-Lifshitz-Gilbert equation shows that the deviation between the LSSE and bulk magnetization curves is qualitatively explained by introducing easy-axis perpendicular magnetic anisotropy near the surface of YIG.

論文

Line splitting by mechanical rotation in nuclear magnetic resonance

針井 一哉; 中堂 博之; 小野 正雄; 松尾 衛; 家田 淳一; 岡安 悟; 前川 禎通; 齊藤 英治

Japanese Journal of Applied Physics, 54(5), p.050302_1 - 050302_3, 2015/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:58.24(Physics, Applied)

Nuclear magnetic resonance (NMR) measurements for a nuclear spin 1/2 system in an external magnet field and mechanical rotation in kHz range are reported. NMR signals are measured by the synchronous rotation of a sample and a detector coil under the condition that the rotation axis is perpendicular to the external field. NMR line splits into two despite the system having a single Zeeman level separation. We analytically show that the splitting originates in the nuclear spin motion under mechanical rotation, and is determined by only the angular velocity of the rotation without any material parameters.

論文

Rotational Doppler effect and Barnett field in spinning NMR

中堂 博之; 針井 一哉; 松尾 衛; 家田 淳一; 小野 正雄; 前川 禎通; 齊藤 英治

Journal of the Physical Society of Japan, 84(4), p.043601_1 - 043601_4, 2015/04

 被引用回数:14 パーセンタイル:28.16(Physics, Multidisciplinary)

We report the observation of the rotational Doppler effect using nuclear magnetic resonance (NMR). We have developed a coil-spinning technique that enables measurements by rotating a detector and fixing a sample. We found that the rotational Doppler effect gives rise to NMR frequency shifts equal to the rotation frequency. We formulate the rotational Doppler effect and the Barnett field using a vector model for the nuclear magnetic moment. This formulation reveals that, with just the sample rotating, both effects cancel each other, thereby explaining the absence of an NMR frequency shift in conventional sample-spinning NMR measurements.

論文

Generation of spin currents in the skyrmion phase of a helimagnetic insulator Cu$$_2$$OSeO$$_3$$

廣部 大地*; 塩見 雄毅*; 嶋田 裕樹*; 大江 純一郎*; 齊藤 英治

Journal of Applied Physics, 117(5), p.053904_1 - 053904_6, 2015/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.24(Physics, Applied)

We report spin-current generation related to skyrmion dynamics resonantly excited by a microwave in a helimagnetic insulator Cu$$_2$$OSeO$$_3$$. A Pt layer was fabricated on Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ and voltage in the Pt layer was measured upon magnetic resonance of Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ to electrically detect injected spin currents via the inverse spin Hall effect (ISHE) in Pt. We found that ISHE-induced electromotive forces appear in the skyrmion phase of Cu$$_2$$OSeO$$_3$$ as well as in the ferrimagnetic phase, which shows that magnetic skyrmions can contribute to the spin pumping effect.

論文

Quantitative temperature dependence of longitudinal spin Seebeck effect at high temperatures

内田 健一*; 吉川 貴史*; 三浦 飛鳥*; 塩見 淳一郎*; 齊藤 英治

Physical Review X, 4(4), p.041023_1 - 041023_9, 2014/11

 被引用回数:67 パーセンタイル:4.82(Physics, Multidisciplinary)

We report temperature-dependent measurements of longitudinal spin Seebeck effects (LSSEs) in Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ (YIG)/Pt systems in a high temperature range from room temperature to above the Curie temperature of YIG. The experimental results show that the magnitude of the LSSE voltage in the Pt/YIG/Pt systems rapidly decreases with increasing the temperature and disappears above the Curie temperature. The critical exponent of the LSSE voltage in the Pt/YIG/Pt systems at the Curie temperature is estimated to be 3, which is much greater than that for the magnetization curve of YIG. This difference highlights the fact that the mechanism of the LSSE cannot be explained in terms of simple static magnetic properties in YIG.

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