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研究内容
- Keywords
磁性蓄冷材、磁気冷凍、マルチフェロイクス、フラストレーション、中性子散乱、高圧
極低温度における磁気熱制御材料の基盤研究
20 K以下の極低温領域における磁気熱制御材料の基盤研究。発熱・吸熱・熱流・蓄熱（蓄冷）といった熱現象を、磁場による能動的制御、あるいは受動的に制御できる革新的な磁性材料の創成を目指す。特に、極低温下で初めて現れる量子物性を積極的に活用し、従来の延長線上にない新規原理に基づく材料開発を推進する。本研究では、汎用元素（脱希少元素、脱有毒元素）のミクロなスピン構造や相変移現象に着目し、ミクロな物性解明からマクロな熱制御機能の付与、実冷凍機への実装、磁気冷凍システムを見据えた応用展開までを一貫して実施する。これにより、資源リスクを克服した次世代極低温熱制御技術の基盤を確立する。
（１）磁気熱量効果材料 メタ磁性などを利用した弱磁場応答性磁気熱量効果材料の創成
（２）熱スイッチ材料 磁気熱抵抗効果を利用した能動的熱スイッチや熱ダイオードの開発
（３）蓄冷材料 スピンフラストレーションを使用したレアアースフリー蓄冷材の開発
参考1：“小さな磁場変化だけで大きな磁気冷凍効果が得られる現象を発見” https://www.nims.go.jp/press/2021/02/202102190.html
N. Terada & H. Mamiya,
Nature Communication 12 (2021) 1212 DOI: 10.1038/s41467-021-21234-z “
参考2：レアアースも液体ヘリウムも不要！ありふれた元素からなる極低温冷却材料を開発”
https://www.nims.go.jp/press/2025/12/202512240.html
N. Terada, H. Mamiya, A. T. Saito & S. Masuyama
Scientific Reports 15 (2025) 44240 DOI: 0.1038/s41598-025-29709-5
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
所属学会
日本物理学会, 日本中性子科学会
受賞履歴
- 日本中性子科学会奨励賞 (2015)
- 日本物理学会若手奨励賞 (2011)
外部資金獲得履歴
- JST A-STEP 希土類元素を含まない極低温度冷凍機用蓄冷材料の開発 (2024)
- 科研費基盤A 全固体冷却法を用いた極低温動作ヒートポンプの基盤研究 (2022)
- 科研費国際共同 高圧力下中性子３次元偏極解析によるマルチフェロイクスの研究 (2017)
- 科研費若手A 偏極・非偏極中性子回折実験用ハイブリッドアンビル高圧力セルの開発 (2015)
- 科研費若手B フラストレーション系磁性体のスピン格子結合と軌道磁気モーメント (2008)
磁性・スピントロニクス材料研究センター
極低温度における磁気熱制御材料の基盤研究
磁性蓄冷材、磁気冷凍，全固体冷却，蓄冷材，熱スイッチ，中性子散乱法
概要
20 K以下の極低温領域における磁気熱制御材料の基盤研究。発熱・吸熱・熱流・蓄熱（蓄冷）といった熱現象を、磁場による能動的制御、あるいは受動的に制御できる革新的な磁性材料の創成を目指す。特に、極低温下で初めて現れる量子物性を積極的に活用し、従来の延長線上にない新規原理に基づく材料開発を推進する。本研究では、汎用元素（脱希少元素、脱有毒元素）のミクロなスピン構造や相変移現象に着目し、ミクロな物性解明からマクロな熱制御機能の付与、実冷凍機への実装、磁気冷凍システムを見据えた応用展開までを一貫して実施する。これにより、資源リスクを克服した次世代極低温熱制御技術の基盤を確立する。
新規性・独創性
● 希少元素、有毒元素を排したありふれた元素からなる極低温磁性蓄冷材の開発
● 気体冷媒を用いない極低温動作全固体冷却法の開発
● 低温領域で出現する量子物性現象の利用
● 中性子散乱実験等を利用した材料評価
内容
（１）磁気熱量効果材料 メタ磁性などを利用した弱磁場応答性磁気熱量効果材料の創成
（２）熱スイッチ材料 磁気熱抵抗効果を利用した能動的熱スイッチや熱ダイオードの開発
（３）蓄冷材料 スピンフラストレーションを使用したレアアースフリー蓄冷材の開発
参考：“小さな磁場変化だけで大きな磁気冷凍効果が得られる現象を発見” https://www.nims.go.jp/press/2021/02/202102190.html
N. Terada & H. Mamiya, Nature Communication 12 (2021) 1212 DOI: 10.1038/s41467-021-21234-z
“レアアースも液体ヘリウムも不要！ありふれた元素からなる極低温冷却材料を開発” https://www.nims.go.jp/press/2025/12/202512240.html
N. Terada, H. Mamiya, A. T. Saito & S. Masuyama
Scientific Reports 15 (2025) 44240 DOI: 0.1038/s41598-025-29709-5
まとめ
近年の量子コンピュータ開発の進展や液体水素製造の社会的要請から、極低温における冷却技術には革新が求められている。これまで、我々は「弱磁場高応答性磁性体」、「巨大熱抵抗効果熱スイッチ」と「巨大磁気比熱蓄冷物質」を見出してきた。本研究では、これらの低温機能磁性熱制御材料の物性物理としての基礎研究から、材料応用まで一貫した開発を行い、次世代極低温冷却技術の基盤を構築する。
