Basic research for low-temperature heat pump by using all solid state cooling method

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、高真空高温炉（最高温度2000°C、到達真空度10^-4 Pa）を導入した。数１０Kでの温度領域における熱スイッチ材料候補として期待しているタングステン純金属多結晶体をはじめとする純金属材料の高真空中高温アニール専用として使用する。本年度はこれまでタンスステン材料において2200℃までのアニール試験（業者委託を含む）を行い、熱伝導率比100倍（20 K, 5 T）をこえる熱スイッチ性能が確認された。これは、これまでの20倍に比べてアニール温度を最適化することによって、熱スイッチ性能が飛躍的向上することが初めて見出された。また、最適化された熱スイッチを用いた全固体冷却方の暫定的な冷却試験も行い、次年度以降に予定している本格的な冷却試験への足がかりを得ることができた。また、磁気冷凍材料HoB2の巨大磁気熱量効果発現の起源を中性子非弾性散乱と平均場計算によって、磁気熱量効果の発現における結晶場分裂が担う役割を解明し、磁気冷凍材料探索の新しい指針を提唱した。

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、高真空高温炉（最高温度2000°C、到達真空度10^-4 Pa）を導入した。数１０Kでの温度領域における熱スイッチ材料候補として期待しているタングステン純金属多結晶体をはじめとする純金属材料の高真空中高温アニール専用として使用する。本年度はこれまでタンスステン材料において2200℃までのアニール試験（業者委託を含む）を行い、熱伝導率比100倍（20 K, 5 T）をこえる熱スイッチ性能が確認された。これは、これまでの20倍に比べてアニール温度を最適化することによって、熱スイッチ性能が飛躍的向上することが初めて見出された。また、最適化された熱スイッチを用いた全固体冷却方の暫定的な冷却試験も行い、次年度以降に予定している本格的な冷却試験への足がかりを得ることができた。また、磁気冷凍材料HoB2の巨大磁気熱量効果発現の起源を中性子非弾性散乱と平均場計算によって、磁気熱量効果の発現における結晶場分裂が担う役割を解明し、磁気冷凍材料探索の新しい指針を提唱した。