2022 Fiscal Year Annual Research Report
一次相転移を利用した液体水素～窒素温度領域における磁気冷凍材料の開発
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19K05254
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
和田 裕文 九州大学, 理学研究院, 教授 (80191831)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 磁気冷凍材料 / 磁気熱量効果 / 液体水素 / 一次相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁性体に一定温度で磁場を加えるとエントロピーは減少する．また断熱状態で磁場を取り除くと温度が下がる．これらの性質が磁気熱量効果である．磁気冷凍は磁気熱量効果を用いた冷凍法であり，環境にやさしく省エネルギーが図れる技術である．近年磁気冷凍は液体水素の液化への応用が注目されている．水素はクリーンなエネルギー源として期待されているが，液体状態で保存，運搬することが望ましいので，液体水素を安価で安全に供給する技術の開発が必要である．もともと磁気冷凍は極低温の断熱消磁から出発しており低温とは相性はよい．さらに液体水素温度でも超伝導マグネットが利用できるので，より大きな磁気熱量効果を活用できることも利点である．最近NIMSは磁気冷凍による水素液化の大規模プロジェクトを開始しており，液体水素～液体窒素温度の低温領域で用いられる磁気冷凍材料の開発が重要なテーマとなっている．
本研究ではこのテーマに取り組むことを目的として，強磁性から常磁性へ一次相転移する物質に着目した．一次相転移物質はキュリー温度でエントロピーが大きく変化するので大きな磁気熱量効果が期待できる．これはわれわれによって室温磁気冷凍材料の開発で実証されている．この一次相転移物質の種々の物性をコントロールするのが本研究の学術的な課題である．
今年度も昨年に引き続き低温で強磁性から反強磁性に一次相転移し，大きな磁気熱量効果を示すGd5Ge4に様々な元素を置換し，磁気転移の振る舞いと磁気熱量効果について調べた．その結果，この物質に対して磁気熱量効果を最大にする方法を見出し，その根拠も明らかにした．この結果は水素の液化に用いる磁気冷凍材料としてGd5Ge4系化合物が大変有力であることを示している．また一昨年度から継続している遍歴電子メタ磁性を示す物質のホール効果に関する研究を大阪大学と共同で行，一部を論文として発表した．
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