ハンダが不思議な磁石に？！ ～磁石と超伝導の性質を活かして不揮発磁気熱スイッチングを実現〜
概要
電子デバイスなどの高性能化のために、熱流を自在に操るサーマルマネージメント技術が世界中で開発されています。特に、機械的接触がなくても熱伝導率[1]を大幅に変化させられる「熱スイッチング材料」[2]の開発が求められており、本研究の対象である磁気熱スイッチングもその一つです。しかし、磁気熱スイッチング技術[3]の有用性を高める不揮発性[4]を有する磁気熱スイッチング材料はこれまでに発見されていませんでした。
東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻の水口佳一准教授、有馬寛人博士（研究当時：特任研究員、現在：産業技術総合研究所 研究員）、モハマドリアドカセム特任研究員、物質・材料研究機構（NIMS）磁性・スピントロニクス材料研究センターの世伯理那仁グループリーダー、安藤冬希特別研究員、内田健一上席グループリーダー、東京大学物性研究所の木下雄斗特任助教、徳永将史准教授の研究チームは、世の中にありふれたSn-Pb（スズ―鉛）ハンダに着目し、ハンダを磁場中で冷却することで磁石と超伝導[5]の二つの性質を持つことを見出しました。さらに、ハンダに含まれるSn領域の性質が、磁場印加によって超伝導から磁石に変わることを発見し、不揮発性を持った磁気熱スイッチング現象を実現しました。本研究における磁気熱スイッチングは、ハンダの超伝導転移温度[5]である7.2 K（ケルビン）[6]以下でのみ生じる低温の現象ですが、今後、高温超伝導体[7]を用いた不揮発磁気熱スイッチング材料を開発できれば、より高温で動作する新たな熱スイッチ技術の創出につながると期待されます。
本研究成果は、3月15日（現地時間）付けでSpringer Natureが発行する英文誌Communications Materialsに発表されました。
論文情報
- 雑誌： Communication Materials
- 題名： Observation of nonvolatile magneto-thermal switching in superconductors
- 著者： Hiroto Arima, Md. Riad Kasem, Hossein Sepehri-Amin, Fuyuki Ando, Ken-ichi Uchida, Yuto Kinoshita, Masashi Tokunaga, Yoshikazu Mizuguchi*
- DOI： 10.1038/s43246-024-00465-9
用語解説
- [1]熱伝導率：
- 物質の熱の伝えやすさを示す物理量で、熱伝導率が高いほど、熱を通しやすい。本研究では試料の一端に熱を与え、試料中の温度勾配を測定する定常法を用いて測定を行った。
- [2]熱スイッチング材料：
- 熱伝導率の大きさが外場の印加などによって変化する材料。外場として、磁場や電場があげられる。
- [3]磁気熱スイッチング技術：
- 磁場の印加や磁化の方向によって熱スイッチングを生じさせること。磁化とは、物質が外部磁場の影響で磁石の性質を得ること。
- [4]不揮発性：
- 動力を切った場合でも生じさせた変化が維持される性質。USBメモリは典型的な不揮発性メモリである。今回の不揮発磁気熱スイッチングでは、外部から印加する磁場を動力ととらえている。
- [5]超伝導（超伝導転移温度、臨界磁場）：
- 低温で生じる量子現象であり、電気抵抗の消失、完全反磁性など特徴的な性質を示す。物質が超伝導状態に転移する温度を超伝導転移温度と呼び、超伝導状態が消失する磁場を臨界磁場と呼ぶ。超伝導状態では、電子がクーパー対（電子対）を形成し、電子キャリアが担っていた熱伝導が大幅に抑制される。
- [6]K（ケルビン）：
- 絶対温度の単位。0℃は約273 Kである。
- [7]高温超伝導体：
- 比較的高い超伝導転移温度を有する超伝導体の総称。39 Kの転移温度を持つMgB2や、50 Kを超える転移温度を持つ鉄系超伝導体、さらに液体窒素温度（77 K）をはるかに超える転移温度を有する銅酸化物系がある。最近の研究では、水素を含む超伝導体において、超高圧下ではあるが200 Kを超える超伝導転移温度が見出されている。
- 東京大学物性研究所 徳永研究室