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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

研究課題

研究課題/領域番号 22H00297
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

寺田 典樹  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 (60442993)

研究分担者 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)
間宮 広明  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 (30354351)
小林 悟  岩手大学, 理工学部, 教授 (30396410)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2025年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2024年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2023年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2022年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
キーワード磁気冷凍 / 磁気冷凍材料 / 磁気熱量効果 / 熱スイッチ / 蓄冷材 / ヒートポンプ
研究開始時の研究の概要

本研究は、極低温磁気冷凍技術において、低温領域で初めて発現する量子物性現象を積極的に利用することに主眼を置き、そこに潜む極低温冷却技術の根幹を成す特異な物性現象の機構解明を行い、得られた知見を冷却技術に応用するものである。我々が極低温物性 の知見をもとに独自に見出した弱磁場高応答性磁性体、純金属多結晶固体熱スイッチと巨 大磁気比熱蓄冷物質を組み込んだ、これまでに無い動作原理を利用した全固体冷却法によ る極低温度動作ヒートポンプの研究開発を行う。弱磁場変化と固体熱スイッチを利用した全固体極低温用ヒートポンプによる、新しい冷却法を開 発することで量子コンピュータ社会や水素社会の基盤を整える。

研究実績の概要

極低温磁気冷凍技術において、低温領域で初めて発現する量子物性現象を積極的に用いることによって、これまでに無い動作原理を利用した全固体冷却法による 極低温度動作ヒートポンプの研究開発を行い、極低温度における冷却技術の技術革新を起こすものである。全固体冷却法は、(1)磁気冷凍材料(弱磁場高応答 性磁性体)、(2)熱スイッチ(純金属多結晶固体熱スイッチ)、(3)蓄冷材(巨大磁気比熱蓄冷物質)の3つの要素によって構成されている。全体期間5年 の間に、それぞれの要素に対して特性を最大化し、それらを統合した冷却システムを開発する計画である。本年度は磁気冷凍材料に関して、候補物質であるHoB2, ErCo2-系材料、Gd金属間化合物に関して、巨大な磁気熱量効果発現の起源を解明する目的で、断熱温度変化測定、比熱測定、および放射光X線回折実験、中性子回折実験を行った。特に、Gd金属間化合物に関しては、中性子回折実験等によって、長周期の反強磁性磁気構造を解明した。これまで、主に強磁性体のみが磁気冷凍材料の候補物質であった。GdCo2B2は反強磁性体でありながら、磁場に対する高度な応答性を示すことが知られていた。しかしながら、Gdが中性子吸収体であるため磁気構造決定に不可欠な中性子回折実験が行われていなかった。本年度我々は、J-PARCのHRCという中性子装置を用いて高エネルギーの中性子を利用することにいよってGdの大きな吸収を抑制して実験することで、磁気構造を決定することができた。その磁気構造は、極めて長周期(50オングストローム程度)の磁気構造で、そのため磁場印加の際の高い応答性が発揮られ、大きな磁気熱用効果が発現することを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2年目である本年度は、新たに高速磁場変化による全固体冷却システムの試験装置の改良、自動化を行い、磁気冷凍材料の巨大磁気熱量効果の起源の解明に向けて順調に研究が進行している。おおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

2022年度に研究課題の研究費により高速磁場変化機構を備えた全固体冷却法の冷却試験機を導入し、2023年度にそれを改良、自動化した。2024年度は2023年度に改良された高速磁場変化機構を備えた全固体冷却法の冷却試験機を用いて、磁気冷凍材料、熱スイッチ、蓄冷材料を組み込んだシステムの試験に着手する予定である。それにより、平行して行なっていく予定の磁気冷凍材料、熱スイッチ、蓄冷材の候補物質の選定や最適化、性能の 最大化と合わせて、本研究の目的である全固体冷却法の基盤技術の開発を推進する予定である。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (30件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 4件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (3件) 産業財産権 (2件)

  • [国際共同研究] STFC, Rutherford Appleton LAboratory/University of Oxford(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Institut Laue Langevin/Institut Neel CNRS(フランス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] ISIS Neutron Muon Facility/University of Oxford(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Crystal electric field leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction2024

    • 著者名/発表者名
      Noriki Terada
    • 雑誌名

      KEK Annual Report

      巻: 2022 ページ: 68-69

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Neutron diffraction studies under zero and finite magnetic fields of the 1/2 quantum magnetization plateau compound Ni2V2O72023

    • 著者名/発表者名
      M. Hase, A. Doenni, N. Terada, V. Yu. Pomjakushin, J. R. Hester, K. C. Rule, and Y. Matsuo
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 107 号: 22 ページ: 2244151-11

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.224415

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Neutron imaging for magnetization inside an operating inductor2023

    • 著者名/発表者名
      Mamiya Hiroaki、Oba Yojiro、Terada Noriki、Hiroi Kosuke、Ohkubo Tadakatsu、Shinohara Takenao
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-023-36376-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unusually strong electronic correlation and field-induced ordered phase in YbCo22023

    • 著者名/発表者名
      J. Valenta, N. Tsujii, H. Yamaoka, F. Honda, Y. Hirose, H. Sakurai, N. Terada, T. Naka, T. Nakane, T. Koizumi, H. Ishii, N. Hiraoka, T. Mori
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 35 号: 28 ページ: 285601-285601

    • DOI

      10.1088/1361-648x/acca5a

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Crystal electric field level scheme leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction2023

    • 著者名/発表者名
      Noriki Terada, Hiroaki Mamiya, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Takafumi D. Yamamoto, Kensei Terashima, Hiroyuki Takeya, Osamu Sakai, Shinichi Itoh, Yoshihiko Takano, Masashi Hase, and Hideaki Kitazawa
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 4 号: 1 ページ: 13-13

    • DOI

      10.1038/s43246-023-00340-z

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 磁気熱量効果を効率的に利用する新規磁気冷凍材料2022

    • 著者名/発表者名
      間宮 広明、寺田 典樹、田村 亮
    • 雑誌名

      熱測定

      巻: 49 号: 2 ページ: 79-85

    • DOI

      10.11311/jscta.49.2_79

    • ISSN
      0386-2615, 1884-1899
    • 年月日
      2022-04-25
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetocaloric Effect in Erbium Scandium Alloys2022

    • 著者名/発表者名
      Mamiya Hiroaki、Terada Noriki、Hase Masashi、Tsujii Naohito、Kitazawa Hideaki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Magnetics

      巻: 58 号: 2 ページ: 25005041-4

    • DOI

      10.1109/tmag.2021.3088116

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetic refrigeration material operating at a full temperature range required for hydrogen liquefaction2022

    • 著者名/発表者名
      Tang Xin、Sepehri-Amin H.、Terada N.、Martin-Cid A.、Kurniawan I.、Kobayashi S.、Kotani Y.、Takeya H.、Lai J.、Matsushita Y.、Ohkubo T.、Miura Y.、Nakamura T.、Hono K.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-022-29340-2

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Room-Temperature Type-II Multiferroic Phase Induced by Pressure in Cupric Oxide2022

    • 著者名/発表者名
      Terada Noriki、Khalyavin Dmitry D.、Manuel Pascal、Orlandi Fabio、Ridley Christopher J.、Bull Craig L.、Ono Ryota、Solovyev Igor、Naka Takashi、Prabhakaran Dharmalingam、Boothroyd Andrew T.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 129 号: 21

    • DOI

      10.1103/physrevlett.129.217601

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Machine learning assisted development of Fe2P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications2022

    • 著者名/発表者名
      Lai Jiawei、Bolyachkin A.、Terada N.、Dieb S.、Tang Xin、Ohkubo T.、Sepehri-Amin H.、Hono K.
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 232 ページ: 117942-117942

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2022.117942

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiple magnetic transitions and complex magnetic behaviour of the perovskite manganite NdMn7O122022

    • 著者名/発表者名
      Belik, A. A.; Liu, R.; Zhang, L.; Terada, N.; Tanaka, M.; Yamaura, K.
    • 雑誌名

      J. Solid State Chem.

      巻: 309 ページ: 122969-122969

    • DOI

      10.1016/j.jssc.2022.122969

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math>-type collinear spin state in orthorhombic <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">YMnO</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math>2022

    • 著者名/発表者名
      Terada Noriki、Nakano Tomohito、Colin Claire V.、Stunault Anne、Qureshi Navid、Ouladdiaf Bachir、Sato Hirohiko
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 14

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.144403

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Room-Temperature Type-II Multiferroic Phase Induced by Pressure in Cupric Oxide2023

    • 著者名/発表者名
      Noriki TERADA, Dmitry Khalyavin, Pascal Manuel, Fabio Orlandi, Christopher J. Ridley, Craig L. Bull, Ryota Ono, SOLOVYEV, Igor, NAKA, Takashi, Dharmalingam Prabhakaran, Andrew T. Boothroyd
    • 学会等名
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY. 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic Structures of GdCo2B2 by Neutron Powder Diffraction2023

    • 著者名/発表者名
      Simon LARSEN, Noriki TERADA, Hiroaki Mamiya, 斎藤開, 中島多朗, 伊藤晋一, Hideaki KITAZAWA
    • 学会等名
      日本中性子科学会第23回年会(JSNS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 水素液化温度領域で巨大な磁気熱量効果を生み出す結晶場準位2023

    • 著者名/発表者名
      寺田 典樹, 間宮 広明, 斎藤開, 中島多朗, 山本 貴史, 寺嶋 健成, 竹屋 浩幸, 酒井治, 伊藤晋一, 高野 義彦, 長谷 正司, 北澤 英明
    • 学会等名
      日本中性子科学会第23回年会(JSNS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 1/2量子磁化プラトー物質Ni2V2O7の中性子回折2023

    • 著者名/発表者名
      長谷 正司, デニ アンドレアス, 寺田 典樹, Vladimir Yu. Pomjakushin, James R. Hester, Kirrily C. Rule, 松尾由賀利.
    • 学会等名
      日本物理学会・第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 磁性材料/磁気デバイスの中性子透過分光イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      間宮 広明, 寺田 典樹, 大場 洋次郎, 廣井孝介, 篠原武尚
    • 学会等名
      第47回日本磁気学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Exploration of Magnetic Refrigeration Materials for Highly Efficient Hydrogen Liquefaction2023

    • 著者名/発表者名
      Hideaki KITAZAWA, Noriki TERADA
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Materials Challenges and Standardization need for Net Zero Technologies (AMCSNZT-2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Neutron Bragg-edge transmission imaging on magnetic materials.2023

    • 著者名/発表者名
      MAMIYA, Hiroaki, 大場 洋次郎, TERADA, Noriki, 廣井孝介, OHKUBO, Tadakatsu, 篠原武尚
    • 学会等名
      11th Workshop on Neutron Wavelength Dependent Imaging
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フラストレーション系磁性体CuFeO2における磁気的相互作用の圧力変化2022

    • 著者名/発表者名
      寺田 典樹, Shintaro Asai, Takatsugu Masuda, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Dmitry D. Khalyavin, Pascal Manuel, Toyotaka Osakabe
    • 学会等名
      日本中性子科学会 第22回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Machine learning assisted development of Fe2P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications2022

    • 著者名/発表者名
      BOLYACHKIN, Anton, LAI, Jiawei, DENGINA, Ekaterina, TERADA, Noriki, DIEB, Sae, TANG, Xin, OHKUBO, Tadakatsu, SEPEHRI AMIN, Hossein, HONO, Kazuhiro
    • 学会等名
      日本金属学会 2022年秋期第171回講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高圧力下偏極・非偏極中性子回折実験によるマルチフェロイクスの研究2022

    • 著者名/発表者名
      寺田 典樹
    • 学会等名
      金属材料研究所ワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] NIMS researchers directory service SAMURAI

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/terada_noriki

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] NIMS Research Directory Service SAMURAI

    • URL

      https://samurai.nims.go.jp/profiles/terada_noriki/publications#article

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] Research ID

    • URL

      https://www.webofscience.com/wos/author/record/940845

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] 磁気冷凍材料およびこれを用いた磁気冷凍装置2023

    • 発明者名
      間宮広明, 寺田典樹、名田美奈子
    • 権利者名
      国立研究開発法人物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 全固体熱スイッチを用いた磁気冷凍システムおよび熱スイッチ用材料の製造方法2023

    • 発明者名
      寺田典樹、間宮広明、辻井直人
    • 権利者名
      国立研究開発法人物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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