超伝導体を用いた熱ダイオードを開発

2025-10-21 東京都立大学

東京都立大学と東京大学、物質・材料研究機構の共同研究チームは、超伝導体を利用した「熱ダイオード」を世界で初めて実証した。高純度鉛（Pb）とアルミニウム（Al）の線をハンダ接合し、超伝導転移温度7.2K以下で熱の流れに方向性が生じる「熱整流現象」を観測。Pbが低温側にある場合、熱伝導が抑制され、Alが高温側にある場合より最大1.75倍の整流比を示した。これは超伝導状態での熱伝導率低下と常伝導状態での高伝導率差を利用したもので、磁場制御により整流温度域を調整可能。低温機器のサーマルマネージメントや量子デバイスの熱制御応用に期待が寄せられる。研究成果はWiley発行の「Advanced Physics Research」に掲載され、JST ERATO「内田磁性熱動体プロジェクト」などの支援を受けた。

熱ダイオードのイメージ図。超伝導体が低温側にあり、有効熱伝導率が低く熱を通しにくい状態。

＜関連情報＞

バルク超伝導体に基づく磁気可変熱ダイオード Magneto-Tunable Thermal Diode Based on Bulk Superconductor

Poonam Rani, Masayuki Mashiko, Keisuke Hirata, Ken-ichi Uchida, Yoshikazu Mizuguchi
Advanced Physics Research Published: 19 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/apxr.202500080

Abstract

The thermal diode is a growing technology and is important for active thermal flow control. Since the theoretical designing of thermal diode in 2004, various kinds of solid-state thermal diodes have been theoretically and experimentally investigated. Here, thermal rectification in bulk-size superconductor–normal metal junctions is reported. High-purity (5N) wires of Pb and Al are soldered, and the thermal conductivity (κ) of the junctions is measured in two different directions of the heat flow, forward (κ_F) and reverse (κ_R) directions. Thermal rectification ratio (κ_F / κ_R) of 1.75 is obtained at T ∼ 5.2 K with H = 400 Oe. The merit of the Pb–Al junction is a large difference of κ in the order of several hundred W m⁻¹ K⁻¹ and magneto-tunability of the working temperature.