JP2012052755A

JP2012052755A - 磁気冷却材料およびそれを用いた極低温生成方法

Info

Publication number: JP2012052755A
Application number: JP2010197080A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Ishikawa; 義和石川; Takashi Tayama; 孝田山; Tomohiko Kuwai; 智彦桑井; Toshio Mizushima; 俊雄水島
Original assignee: Toyama University
Current assignee: Toyama University
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】高価で取り扱いが難しい人工元素のヘリウム３を用いずに、ヘリウム４で１Ｋ以下の低温を生成する極低温生成方法を提供する。
【解決手段】ヘリウム４による寒材と６テスラ以上の磁場およびＰｒＰｄ３を磁気冷却材料として使用し、磁気冷却を行うことにより極低温生成方法を実現した。本発明は、プラセオジム元素の４ｆ電子スピンの磁気的な自由度を利用するものである。具体的には、磁気冷却の材料としてのＰｒＰｄ３および、ＰｒＰｄ３を磁気冷却の材料として使用したヘリウム４と磁場を用いた１Ｋ以下の極低温生成方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温生成に関するものである。

絶対零度に近い極めて低い温度領域（絶対温度４Ｋ以下）では、超伝導・超流動・密度波などさまざまな現象が起きる。これらは熱運動による妨げが小さくなった、物質の最も基本的な状態（基底状態）による現象であり、その極低温領域での物性を研究することは、超電導体、磁性体および半導体などの研究において極めて有用であり、世界中で簡便な極低温生成技術の研究・開発がなされている。
極低温を実現する冷凍機によく使用される寒剤として、ヘリウム４が知られている。１気圧の下で液体ヘリウム４の沸点は４.２Ｋであり、これをポンプ等で減圧することにより通常は２Ｋ、特殊な強力ポンプを使用することで１.３Ｋの低温を生成することができる。これ以下の温度を生成するときには、ヘリウム３とヘリウム４を利用した希釈冷凍機が一般的である。
しかし、ヘリウム３は自然界にはほとんど存在せず、原子炉で人工的に作るため、極めて高価である。

一方、プラセオジム
(Praseodymium、元素記号はＰｒ）は、希土類元素の一つであり、Ｐｒ化合物の一つであるＰｒＮｉ_５は、極低温の生成方法である断熱消磁法において冷却材料として利用されている。
また、ＰｒＰｄ_３に関しては、１Ｋ付近での大きなエントロピー変化（非特許文献１）、極低温での比熱異常（非特許文献２）などが報告されている。

Journalof Physics.: Conf. Ser. 150 (2009) 042074. 日本物理学会北陸支部定例学術講演会講演予稿集、Vol.64, No.2, 第3分冊,p.432 (2009)

高価で取り扱いが難しい人工元素のヘリウム３を用いずに、ヘリウム４で１Ｋ以下の低温を生成する。

本発明者らは、ヘリウム４による寒材と６テスラ以上の磁場およびＰｒＰｄ_３を磁気冷却材料として使用し、磁気冷却を行うことにより上記課題を解決した。

本発明は、プラセオジム元素の４ｆ電子スピンの磁気的な自由度を利用するものである。具体的には、磁気冷却の材料としてのＰｒＰｄ_３および、ＰｒＰｄ_３を磁気冷却の材料として使用したヘリウム４と磁場を用いた１Ｋ以下の極低温生成方法である。

本発明により、ＰｒＰｄ_３が極低温で利用可能な磁気冷却材料であることが明らかとなった。
ＰｒＰｄ_３を磁気冷却材料として使用する本発明方法により、人口元素であるヘリウム３を利用せず、簡便に１Ｋ以下の低温を生成することができる。

図１は、ＰｒＰｄ_３のエントロピーＳ対温度Ｔの曲線である。磁場０テスラ、温度２Ｋから等温過程により磁場８テスラに増加させる（下向きの矢印）。その後、断熱過程により磁場を０に落とし、０．７Ｋの低温を得る。（左向きの矢印）点線による矢印は磁場の最高磁場を６テスラにした場合の磁気冷却過程を示す。図２は、ＰＰＭＳの電気抵抗測定パックと、ＰＰＭＳのヘリウム４と６テスラ以上の高磁場を利用した１Ｋ以下の低温生成のための構成図である。図３は、磁気冷却素子ＰｒＰｄ_３の温度（点）、磁場（丸）、真空度の対数（×）、抵抗温度計の励起電流（線）の時間変化を示す図である。図４は、磁気冷却素子ＰｒＰｄ_３を用いたＰｒＰｄ_３の極低温領域の比熱の測定結果を示す図である。

本発明のＰｒＰｄ_３は、所定の成分配合になるように原料を溶解することで製造できる。具体的には、希土類金属プラセオジム（Ｐｒ）と金属パラジウム（Ｐｄ）を原料として、真空中にてアーク炉で溶解することより得ることができる。得られた物質をX線粉末回折装置により回折パターンを測定し、正方晶ＡｕＣｕ_３型の結晶構造を有していることを確認することが好ましい。

ＰｒＰｄ_３を、磁気冷却材料として使用し、低温を生成するためには熱接触が必要である。その手法として、例えば、ＰｒＰｄ_３の立方体を薄い銅シートで覆い、さらに銅板を介して磁気冷却装置に設置する形態が挙げられる。

本発明の方法により、１Ｋ以下の低温を得るには、まず、ヘリウム４を用いてＰｒＰｄ_３を２Ｋに冷却する。次いで、等温過程により磁場を６テスラ以上まで印加する。さらに、断熱状態を作り出し、断熱過程により磁場を０に減少させればよい。
この断熱過程で磁気エントロピーは一定に保たれ、ＰｒＰｄ_３の温度は１Ｋ以下の温度に冷却される。

磁気冷却をするために必要な２Ｋの温度と、６テスラ以上の磁場の生成には、例えば、カンタム・デザイン社の物理特性測定システム（ＰＰＭＳ）の利用が挙げられる。
以下に実施例で本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

所定の成分配合になるように混合した希土類金属プラセオジムと金属パラジウムを真空中にてアーク炉で溶解した。得られた物質をX線粉末回折装置により回折パターンを測定し、正方晶ＡｕＣｕ_３型の結晶構造を有するＰｒＰｄ_３であることを確認した。
得られたＰｒＰｄ_３を６ｍｍ角のサイコロ状に成形した。このものを０．１ｍｍの厚さの銅のシートで覆い、銅シートに抵抗温度計をアピエゾングリースで接着した。
磁気冷却をするために必要な２Ｋの温度と、８テスラの磁場の生成には、カンタム・デザイン製のＰＰＭＳを利用した。磁気冷却素子はＰＰＭＳの電気抵抗測定パックを用いて図２に示すような構成にした。すなわち、断熱を確保するために電気抵抗測定パックの上に熱絶縁体を置き、それに厚さ２ｍｍの銅板を絹糸で固定した。この銅板にＰｒＰｄ_３と銅シートと抵抗温度計で構成された磁気冷却素子をアピエゾングリースで固定した。この電気抵抗測定パックをＰＰＭＳにより２Ｋに冷却した。次に磁場をゼロから８テスラに上昇させた。その後、断熱状態にするために、１０^−４Ｔｏｒｒ程度の高真空にした。この間、抵抗温度計により、温度が２Ｋから大きく上昇しないことを確認した。その後、温度を計測しながら、磁場をゼロに下降させた。この過程を図３に示す。最低温度０．９Ｋが生成されていることが確認できた。なお、０．９Ｋから１．０Ｋまで上昇する時間は約１０分であった。

本研究により開発されたヘリウム３を用いない冷却システムにより、ＰｒＰｄ_３の極低温領域での比熱を測定した。図４に示すように、最低温度として絶対温度０．９Ｋまでの比熱の値が得られた。

ＰｒＰｄ_３は、１Ｋ以下の温度を簡便に生成する最適な磁気冷却材料である。既存の物理特性測定システム（ＰＰＭＳ）に付設することで、極めて簡便に１Ｋ以下の低温生成が可能となり、１Ｋ以下の電気抵抗などの物理量を測定できる。さらに、断熱の方法を改善することにより、より低い低温生成が可能となり、ヘリウム３を利用する低温生成の方法に取って代わる方法となる。

Claims

ＰｒＰｄ₃からなる磁気冷却材料。
磁気冷却材料としてＰｒＰｄ_３を使用し、ヘリウム４と磁場を用いた１Ｋ以下の極低温生成方法。
磁気冷却材料としてＰｒＰｄ_３を使用し、ヘリウム４と磁場を用いることを特徴とする物理特性測定システム。