2022 Fiscal Year Annual Research Report
Research on ultra-low temperature refrigeration using novel heat exchanger
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21H01267
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
齋藤 明子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, 主席研究員 (20426612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松下 琢 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (00283458)
和田 信雄 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (90142687)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超低温 / 自由度 / 熱交換器 / ナノ多孔体 / フォノン光学モード / 希釈冷凍機 / 熱抵抗 / 量子コンピュータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和４年度は、超低温冷凍機革新のための新規熱交換器の仕様設計や要素技術の研究を行い、以下の成果が得られた。
・Ag2Oについて、液体He温度以下100ｍKまでの超低温での比熱特性を評価し、温度の３乗で低下するフォノン音響モードの自由度では説明できない異なる温度依存性を持つ大きな比熱を観測した。この特異な比熱は、進化的アルゴリズムおよび第一原理計算の２つの手法によるフォノンDOSの計算から、10meV以下の低エネルギーの光学フォノンに起源するものであることを明らかにし、この結果を低温物理学国際会議で発表した。
・さらに、上記の比熱を用いて、冷凍機シミュレーションによりAg2Oを蓄冷材として用いた場合の冷凍性能への影響を調べたところ、従来の非磁性蓄冷材PbやBi(極低温比熱の起源はフォノン音響モード)に対する優位性が確認された。また、冷凍機搭載試験に向けて、Ag2O球状多孔体の高密度化に取り組み、真密度比90％以上の粒子作製に成功した。
・ナノ細孔構造を有する熱交換器を用いた研究では、4K冷凍機に取り付けて10mK以下の温度を実現する小型希釈冷凍機の開発を進めている。本年度は、小型化を実現するために独自に開発したナノ多孔体熱交換器について、性能の鍵となる熱流抵抗を測定し、この結果を低温物理学国際会議で発表した。
・さらに熱交換器製作条件の最適化を可能にするため、Ladder modelによるシミュレーションで定量的な性能評価を進めた。予備的評価結果では、従来の70nm焼結銀熱交換器よりも1/10以下に小型化できることが示された。今後、さらにシミュレーションの精密化を進めていく予定である。
・液体ヘリウム冷媒を用いた状況で行っている、ナノ多孔体熱交換器と新たに開発中の小型Tube-in-Tube熱交換器を用いた小型冷凍機のテスト運転では、連続循環において13.8mKを実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
・Ag2Oでは、超低温域までフォノン光学モードの自由度が残存し、これに由来して100ｍKまでの超低温で大きな比熱が発現することを実験と計算により明らかにした。また、この比熱を用いた冷凍機シミュレーションにより冷凍機性能への有効性も確認している。さらに、Ag2O球状多孔体の高密度化に取り組み、真密度比90％以上の粒子作製にも成功しており、冷凍機搭載試験に向けて、順調に進捗している。
・また、ナノ細孔構造を有する独自の熱交換器と開発中の小型Tubein-Tube熱交換器を用いて、小型冷凍機のテスト運転を実施し、連続循環において13.8mKを実現した。このことは、現在、量子コンピュータの冷却で主流となっている大型の3He/4He希釈冷凍機を、3He使用量が少なく価格やランニングコストの低い小型希釈冷凍機に革新できる可能性を示すものであり、計画以上の進展があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
医療用MRIの高感度化や、量子コンピュータの冷却応用では、冷却効率が高く、小型で、磁気雑音を抑えた超低温生成技術が希求されている。量子コンピュータ等で求められる10mK超低温冷凍機の市場では、液体4He寒剤を用いずに蓄冷式極低温冷凍機で予冷段を冷却し、最低温生成には希釈冷凍機を用いる方法(所謂ドライ・タイプの冷却)の需要が高い。本研究では、超低温生成技術として、(1)フォノン光学モードの自由度の活用、(2)ヘリウム量子液体の自由度の活用の２つのアプローチから、スピンの自由度を用いない(磁気雑音を抑えた)新しい熱交換器の構築に取り組んでいる。令和５年度は、(1)では、前年度に高密度化に成功したAg2O球状多孔体の多量試作に取り組み、冷凍機搭載に必要な量を準備する。さらに、これらを冷凍機に搭載し、極低温域のフォノン光学モードの自由度が蓄冷材として機能するか、冷凍試験により有効性を調べる。(2)では、前年度に試作したナノ多孔体について、ヘリウムとの相互作用に寄与する細孔表面積を評価すると共に、要素設計に基づいて、細孔サイズ適正化に取り組む。さらに、これまで進めてきた小型希釈冷凍機の開発では、製作条件を最適化することにより小型化したTube-in-Tube熱交換器の性能を向上させて、液体ヘリウム冷媒を用いた環境下において小型希釈冷凍機で10mK以下を実現することを目指ざす。最終的には、最適化した小型希釈冷凍機を４K冷凍機に組み込むことで、完全無冷媒の10mK小型冷凍機を実現する技術を構築することを目指して、冷凍技術の基礎研究を推進する予定である。
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