物質・材料研究機構(NIMS)と大島商船高等専門学校の研究グループは、銅や鉄などの身近な元素のみからなる、新しい極低温冷却材料を開発した。この材料は、これまで極低温冷却に不可欠とされてきたレアアースや液体ヘリウムを使わずに、マイナス269℃という非常に低い温度まで冷却でき、希少資源への依存を減らす技術として期待される。研究成果は学術誌Scientific Reportsに掲載された。
極低温冷却技術は、医療用MRIや量子コンピュータなど、超伝導を利用する先端技術を支える重要な基盤技術である。こうした装置では、非常に低い温度を安定して保つために、温度変化を受け止める「蓄冷材」が欠かせない。これまで、この役割には希少資源であるレアアースや液体ヘリウムが広く使われてきた。しかし、近年は価格高騰や供給不安が深刻化しており、希少資源に依存しない新しい蓄冷材の開発が求められてきた。
研究グループは、物質中の電子が持つ小さな磁石(電子スピン)の並び方に注目し、「フラストレーション効果」と呼ばれる特徴を持つ材料を調べた。三角形のような形で原子が並んでいる物質では、電子スピンが同じ向きに並ぼうとしてもうまくいかず、極めて低い温度になるまで性質が変わりにくいことが知られている。銅と鉄の酸化物CuFeO2はこのような構造を持ち、低温でも安定した特性を示すことがわかった。さらに、ごく少量のアルミニウムを加えたCu(FeAl)O2では、低温での蓄冷能力が向上し、従来のレアアース蓄冷材と同等の3.5K(マイナス269℃)まで冷却できることが確認された。 本研究により、超伝導技術に必要とされる極低温を安定して実現できる、持続可能なレアアースフリーの蓄冷材が開発された。医療用MRIや量子コンピューター、将来の核融合発電など、今後の需要拡大が見込まれる分野への応用が期待される。
画像提供；NIMS（冒頭の写真はイメージ）