| 研究課題/領域番号 |
21H01609
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
藤田 麻哉 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (10323073)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 磁気熱量効果 / 磁気冷凍 / 断熱温度変化 / 遍歴電子メタ磁性転移 / 核生成・成長 |
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| 研究実績の概要 |
巨大磁気熱量効果を示すFe系遍歴電子メタ磁性材料において、磁気熱量効果の指標の一つとされる「断熱温度変化」に注目し、i) 物理的な素過程としての断熱変化が、遍歴電子メタ磁性転移としてどのようなプロセスで達成されるか、また、ii)応用上、磁気冷凍サイクルを形成する上で必要となる断熱過程が、他のサイクル過程にどのように連結するか、という、基礎と応用の両面から、断熱温度変化過程を追求することが本研究の主眼である。初年度は、まず、従来の観測では専ら温度変化だけが取り沙汰されてきた磁場中断熱過程において、どのような磁気状態を経るのか把握するために、断熱磁場印加/除去過程において温度変化と同時に磁化率測定を実施した。これにより断熱過程の始/終状態をアサインしたところ、等磁場温度変化下での平衡状態とは異なる変化パスを経ることがわかった。また、一旦、平衡過程により到達した磁気状態に断熱過程を加えると、元の状態に可逆的にもどることなく、断熱過程でのみ到達できる状態に落ち込むことがわかった。今後は、断熱温度過程の始状態と終状態で磁気相が異なる場合に、平衡過程であれば核生成・成長により達成する２相共存プロセスをどのように経ていくのか追求していく。本年度はこの点について、理論的な考察を加えるため、磁化曲線へのフィッティングから、自由エネルギー F のランダウ展開係数を決定し、断熱温度変化過程での自由エネルギー曲線の変化をフォローした。この方式では、現時点では、２相共存を無視しているため、実験との対応が必ずしも正確ではないが、断熱温度変化過程では印加磁場を減少させているにもかかわらず強磁性が強まるという特殊な状況が、F-温度-磁場曲面でどのようにトレースされることになるか俯瞰的に全容を把握することができた。次年度以降ではこれらの結果を磁気ドメイン観察など（本年度は観察法を確立）につなげていく。
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| 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
本研究開始前に把握していた本系の磁化率を用いた磁気状態観測を、断熱過程に適用することに成功し、従来、温度変化しか把握されていなかった断熱過程での磁気状態変化を把握することを可能とした。これに基づき、断熱過程の始/終状態について、平衡過程で到達できる磁気状態との異同を初めてあきらかにすることができた。また、ランダウ展開と実験フッティングをもちい、このような変化への熱力学モデル的なアプローチの手がかりを掴むことに成功した。これらより当初計画していた解明項目には十分に迫ることができた。また、磁気状態を観察するために、バルク体で成功していた磁気核ドメイン観察を、形状制御した試料上で実施する手法を本年度に確立できた。これは次年度以降の断熱過程の磁気状態観察につながるが、磁場印加と温度制御についての予備実験について、コロナ禍の影響をうけ、一部を次年度に回すことになったものの、基本的な温調と磁場ユニットの準備は完了した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度成功した断熱過程での磁気状態変化を応用し、相転移履歴（自由エネルギー障壁）と、断熱温度過程の関係を把握していく。特に、断熱過程が許されるのが、相転移履歴の中でも磁場中昇温ブランチと無磁場中降温ブランチに限定される点に注目し、自由エネルギー F-温度-磁場曲面でのトレースと許される断熱過程のパスの関係について実験と理論の両面から追求していく。また得られた結果をもとに、応用上の磁気冷凍サイクルにおいて、より有効的な熱サイクルの構成についても提言できるようにする。断熱温度変化過程における磁気ドメインの変化についても、磁気像観察などの実験・実測の結果を交え、平衡過程の核生成・成長に相当するプロセスの解明に迫るとともに、断熱温度変化過程前後での、１次相転移の特徴である２相共存バランスの変化についても明らかにしていく。
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