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摘 要：本研究着眼于“阻挫效应”，发现三角晶格反铁磁体 Cu(FeAl)O2中，由于晶格结构的限制，自旋方向难以整齐排列，使得相变温度降低至极低温，在极低温区域产生较大的比热容，从而有望用作极低温蓄冷材料。
关键词：极低温制冷、三角晶格反铁磁体、无稀土磁性材料、阻挫效应、CuFeO2
■以往的课题
在以医用 MRI 为首的领域得到广泛应用的极低温制冷技术，存在严重依赖液氦和稀土元素的问题，这些原料面临供应不稳定和资源枯竭的风险。例如，目前蓄冷材料中使用的钬元素，每年开采量仅为 100 吨，且分布不均。随着未来极低温制冷的需求大幅增长，开发不依赖这些稀有资源的新型制冷技术迫在眉睫。
■成果要点
此次，日本物质材料研究机构（NIMS）和大岛商船高等专门学校的研究团队开发出一种用于机械式冷冻机（GM 冷冻机）的蓄冷材料，该材料不含任何稀土金属元素，仅由铜、铁、铝等储量丰富的元素构成，无需使用液氦即可实现极低温制冷。研究团队利用了具有三角晶格这种特殊结构的磁性材料中特有的“阻挫”效应，即自旋方向在极低温下变得难以整齐排列，从而使过渡金属在极低温下表现出高比热容。其性能与传统含稀土（钬化合物）的制冷材料相当。这是不含稀土元素的冷冻机用磁性蓄冷材料首次达到实用水平。
图 1：1960年代的 GM 冷冻机使用铅（Pb）作为蓄冷材料，到90年代引入了稀土金属化合物HoCu2，显著提升了制冷性能。此次开发的无稀土蓄冷材料 CuFeAl0.98Al0.02O2（CFAO）具有与之相当的制冷能力，且仅由常见元素构成，有望实现可持续、低环境负荷的极低温制冷技术。
■ 未来展望
此次开发的蓄冷材料使用了储量丰富的资源，具有可持续性高、环境负荷低的特点，有望在需求预计增长的医用 MRI 和量子计算机的极低温制冷中得到应用。