磁気冷凍材料の冷却能力と安定性を両立する材料設計手法を確立

NIMS、京都工芸繊維大学、高輝度光科学研究センター、兵庫県立大学、東北大学、ダルムシュタット工科大学の研究チームは、磁場のオン・オフで温度が変化する磁気冷凍材料について、冷却能力と安定性の両立を可能にする材料設計の新手法を開発しました。材料内部の共有結合の種類や配置を精密に制御することで、磁気的な性質の変化に伴う原子配列の遷移がスムーズに進行し、それに伴う不可逆的なエネルギー損失の大幅な抑制が可能になったことで、この両立に成功しました。

エアコンや冷蔵庫、冷凍機など従来の冷却方式（蒸気圧縮式冷却）では、温室効果ガスを排出する冷媒が使用されており、環境負荷が懸念されます。温室効果ガスを排出しない技術の候補の1つとして、磁場のオン・オフで温度変化する材料を利用した磁気冷却技術が注目されています。しかし、この技術の性能向上を目指す研究開発において、次に述べるジレンマが長い間立ちはだかっていました。すなわち、磁場のオン・オフを繰り返す際に材料内部でエネルギー損失が発生するため、冷却能力を保持し続けることが困難である一方（安定性の欠如）、その損失を抑えるための材料設計を行うと、磁場を加えた際の温度変化が減少して冷却効果が弱まる（冷却能力の減少）というトレードオフです。

本研究チームは、金属間化合物の組成を原子レベルで精密に調整することで、元に戻すことができないエネルギーの損失を制御する金属間化合物の材料設計手法を開発しました。この手法を実証するため、磁気冷凍材料であるGd（ガドリニウム）とGe（ゲルマニウム）の金属間化合物の改良を試みました。この材料は、磁場印加時にGdのスピンの向きがそろい、温度が上昇しますが、スピンの変化に連動して、層間を構成するGeの結合距離が変わりヒステリシス（履歴）が発生していました。今回、Geの一部をSn（スズ）に置換することで、層間の厚み変化を抑えた結果、冷却能力の低下を防ぐことに成功しました。さらに磁場を印加した当初の温度変化も7ケルビンから8ケルビン（7度から8度）と増加し、持続性のみならず、材料の磁気冷却性能も向上させることに成功しました。

今回得られた磁気冷凍材料は極低温領域で動作し、水素の液化に最適な特性を示すことから、環境負荷の少ない液体水素技術の実現に貢献すると期待されます。さらに、本研究は望ましい特性を実現する磁気冷凍材料設計の新たな手法を提案しています。今後は、この新手法に基づき、他の化合物への応用拡大を計画し、その応用分野の拡大を目指していきます。

本研究成果は、2025年12月18日（現地時間）に「Advanced Materials」誌のオンライン版に掲載されました。