2022 Fiscal Year Research-status Report
トポロジーの概念にもとづく水素液化機能性材料の開発
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22K19093
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
菊川 直樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主幹研究員 (00442731)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジー / 磁気ワイル物質 / 単結晶育成 / 物性測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究「トポロジーの概念にもとづく水素液化機能性材料の開発」の目的は，磁気冷凍方式で水素液化を促進する物質を「トポロジー」の概念 にもとづいて開発することである．具体的には，まずは大きな磁気エントロピー変化を示すバルク物性を有する物質を開発する．空間反転・時間反転対称性のどちらも破り，磁性ワイル物質としての候補とされるRAlT (R: 希土類元素，T: Si, Ge)に着目し，NdAlGeの単結晶育成を浮遊帯域法にておこなった．レーザーを光源とした溶融帯の安定化により，50 mm の単結晶を育成できた．これらを用い，今年度は基礎となるバルク物性を詳細に評価することを目的とし，比熱，磁化率，磁化，熱膨張の測定をおこなった．比熱のシャープな転移と磁化率から磁気秩序は13.5 Kで生じ，他の転移については2 K までは見られなかった．磁化測定からc軸方向にイジング異方性を有することもわかった．熱膨張測定からは温度を下げていくと転移点以下でa軸とc軸ではそれぞれ，膨張および収縮と，異方的な振る舞いをする．これらの結果から，転移温度の一軸圧力下依存性，さらには静水圧力依存性をEhrenfest関係式から求め，姉妹物質(CeAlGe, CeAlSi)の静水圧力依存性ともよく一致していることを明らかにした．また，磁化の温度性を9 Tまで測定し，Maxwell関係式を用いて磁気エントロピー変化を求めた．イジング異方性に関連し軽希土類Nd を含む系において，5 T，9 T までの磁気エントロピー変化は，それぞれ-4.2, および-5.7 J/mol K と比較的大きな値を有する．これらのバルク物性を論文に発表した．今後，ホール効果などの物性も評価していく予定である．
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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
磁気ワイル候補物質NdAlGeについてはフラックス法での結晶は得られていたが，本研究では単結晶育成について浮遊帯域法にて成功した．その際，レーザーを光源とし，その集光度を最適化することで，他の物質の単結晶育成にも応用できるようになった．育成したNdAlGeについての物性の異方性を，磁化率，磁化，および熱膨張測定から明らかにした．特に，熱膨張については，RAlT (R: 希土類元素，T: Si, Ge)系では我々の知る限り初めての報告と言える．比熱からもバルクの磁気転移を示す結果が得られた．これらを踏まえ，磁気エントロピー変化も求めることができ，軽希土類を含むNdAlGe においても，おそらく偉人具違法性に関連して比較的大きな磁気エントロピー変化を有することがわかったことは，予想外とも言える結果である．今年度は，このように基礎となるバルク物性を評価できたことで，今後，本研究のメインテーマとも言えるホール効果などへの測定へ進める土台を築くことができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
磁気ワイル候補物質NdAlGeについて，基礎物性を評価することができた．磁気転移温度は13.5 Kであり，熱膨張測定からも異方性が顕著となった．比熱の結果も合わせ，転移温度の一軸圧力下依存性，さらには静水圧力依存性をEhrenfest関係式から求めることができた．今後も計画として，NdAlGeのホール効果の測定を中心に，これまでのバルク物性と合わせ，磁気ワイル候補物質RAlT (R: 希土類元素，T: Si, Ge)について，整合性のある解釈へと進めていく予定である．
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| Causes of Carryover |
当初予定では，試料育成で必要となる石英管を購入予定であったが，コロナ禍の影響を受け入手困難となり次年度使用額が生じた．育成中の過程を一部見直したことで研究計画全体を通しては問題は生じていないが，購入した方がより円滑に進められるため，翌年度中に入手する予定である．
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