レアアースも液体ヘリウムも不要! ありふれた元素からなる極低温冷却材料を開発〜医療用MRIや量子コンピューター冷却への応用に期待〜

2025-12-24 物質・材料研究機構

NIMS(物質・材料研究機構)と大島商船高等専門学校は、レアアース金属や液体ヘリウムを一切使用せず、銅・鉄・アルミニウムといった豊富な元素のみからなる極低温用蓄冷材料を開発した。三角格子構造を持つ磁性体に特有のスピン・フラストレーション効果を利用することで、遷移金属系材料でありながら約4Kという極低温域で大きな比熱を示し、従来のレアアース系蓄冷材(ホルミウム化合物)と同等の冷却性能を達成した。液体ヘリウム不足や資源制約への対応策として重要な成果であり、医療用MRIや量子コンピューターなど、今後需要が拡大する極低温冷却技術への応用が期待される。持続可能性と環境負荷低減の両立を可能にする新しい冷却材料として注目される。

レアアースも液体ヘリウムも不要! ありふれた元素からなる極低温冷却材料を開発〜医療用MRIや量子コンピューター冷却への応用に期待〜
図: 1960年代のGM冷凍機では鉛(Pb)が蓄冷材として用いられていましたが、1990年代にはレアアース金属化合物HoCu2が導入され、冷却性能が大きく向上しました。今回開発したレアアースフリー蓄冷材CuFe0.98Al0.02O2(CFAO)は、これらに匹敵する冷却能力を持ちながら、豊富な元素のみで構成されるため、持続可能で環境負荷の少ない極低温冷却技術につながります。

<関連情報>

豊富元素のスピンフラストレーションを利用した革新的な極低温冷却材料 Innovative cryogenic cooling material using spin frustration from abundant elements

Noriki Terada,Hiroaki Mamiya,Akiko T. Saito & Shinji Masuyama
Scientific Reports  Published:28 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-29709-5

Abstract

Cryogenic cooling technology is essential for modern applications, such as magnetic resonance imaging and quantum computing; however, it currently relies heavily on critical resources such as helium and heavy rare-earth elements. As demand for cryogenic cooling increases, developing alternative technologies that reduce reliance on these scarce resources is crucial. This study introduces regenerator materials from abundant elements—copper, iron, and aluminum—that function as Gifford–McMahon (GM) cryocoolers. These materials achieve cryogenic cooling through the spin frustration effect, where competing magnetic interactions enhance magnetic heat capacity. CuFe₁₋ₓAlₓO₂ demonstrates effective cooling capacity at the helium condensation temperature comparable with that of conventional heavy rare-earth-based materials and surpasses the performance specifications of commercial GM cryocoolers. These findings demonstrate the potential of non-rare-earth magnetic materials for sustainable cryogenic technology, reducing dependence on critical resources.

0703金属材料
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