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~共有結合の精密制御により高効率・高持続性磁気冷凍材料を実現~

2025-12-19 物質・材料研究機構,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,ダルムシュタット工科大学,科学技術振興機構

NIMS(物質・材料研究機構)を中心とする国際共同研究チームは、磁気冷凍材料における「冷却能力」と「安定性」の長年のトレードオフを克服する新たな材料設計手法を確立した。磁気冷却は温室効果ガスを用いない次世代冷却技術として期待される一方、磁場のオン・オフに伴う不可逆なエネルギー損失(ヒステリシス)が性能低下の要因となっていた。本研究では、Gd–Ge系磁気冷凍材料に着目し、Geの一部をSnに置換することで材料内部の共有結合の種類と配置を精密に制御した。その結果、磁気転移に伴う原子配列変化が滑らかに進行し、エネルギー損失を大幅に抑制すると同時に、磁場印加時の温度変化を7Kから8Kへ向上させることに成功した。本成果は、極低温での高効率磁気冷却や水素液化技術への応用を視野に入れた、持続性と高性能を両立する材料設計指針を提示している。

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~共有結合の精密制御により高効率・高持続性磁気冷凍材料を実現~
図: 今回開発した材料の模式図。磁場を印加していない状態(右側)では、上側のスラブ(以下、層と標記)と下層に含まれるGdのスピンの向き(白矢印)は揃っていないが、磁場を印加すると(左側)揃い、温度が上昇する。

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Advanced Materials  Published: 17 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202514295

Abstract

Magnetic cooling, harnessing the temperature change in matter when exposed to a magnetic field, presents an energy-efficient and climate-friendly alternative to traditional vapor-compression refrigeration systems, with a significantly lower global warming potential. The advancement of this technology would be accelerated if irreversible losses arising from hysteresis in magnetocaloric materials are minimized. Despite extensive efforts to manipulate crystal lattice constants at the unit-cell level, mitigating hysteresis often compromises cooling performance. Herein, we address this persistent challenge by forming Sn(Ge)3−Sn(Ge)3 bonds within the unit cell of the Gd5Ge4 compound. This approach enables an energetically favorable phase transition, leading to the elimination of thermal hysteresis. Consequently, we achieve a synergistic improvement of two key magnetocaloric figures of merit: a larger magnetic entropy change and a twofold increase in the reversible adiabatic temperature change (from 3.8 to 8 K) in the Gd5Sn2Ge2 compound. Such synergies can be extended over a wide temperature range of 40–160 K. This study demonstrates a paradigm shift in mastering hysteresis toward simultaneously achieving exceptional magnetocaloric metrics and opens up promising avenues for gas liquefaction applications in the longstanding pursuit of sustainable energy solutions.

0703金属材料
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