通過控制磁態變化溫度來控制比熱

研究大綱

當你想到低溫時，你會想到什麼樣的溫度？ 在我的研究主題中，我主要尋找在絕對溫度為10K和攝氏約-263°C或更低的極低溫度下不易升溫和冷卻（比熱大）的磁性材料。 在日本，即使很冷，它也是-20°C左右，所以你可以理解它是相當低的。 當然，溫度不是人類可以生存的。 這麼低的溫度用在哪裡？ 醫學MRI是我們熟悉的，太空開發是一個有趣的地方。 MRI使用冰箱來操作超導磁體。 在空間開發領域，製冷設備是提高紅外探測靈敏度的必要條件。 為了保持低溫，該冰箱使用了一種比熱較大的材料，稱為冷藏材料。 為了提高冰箱的製冷能力，有必要將冷庫材料的比熱提高到10K以下，我正在研究一種新的磁性材料作為這種冷庫材料。

研究的特點

當我們想到磁性材料時，首先想到的是磁鐵，但這個主題中的磁性材料卻完全不同。 這項研究的重點是確定磁性材料的比熱應該在什麼溫度下增加。 由於比熱在磁性材料的磁態變化的溫度（磁相變溫度）下增加，因此需要將磁相變溫度控制在10K以下。 磁鐵也有磁相變溫度，但高達幾百度。 另一方面，在這個主題中，磁相變溫度必須低至-260°C左右。 我們專注於在低溫下可能具有磁相變溫度的化合物，實際生產它們，並測量它們的比熱。 然後，我們將闡明為什麼表達物理性質。

在製備樣品時，我們主要處理金屬，但在許多情況下，需要在1000°C或更高的高溫下熔化它們。 如圖所示，在稱為電弧熔煉爐的裝置中熔化金屬並製備樣品，該裝置可以產生2000°C或更高的高溫。 實驗室中的每個學生還在電弧熔煉爐中準備他或她自己主題的樣品，並澄清比熱。

研究的吸引力

用自己的雙手實際製作材料並闡明其物理特性是很有吸引力的。 在大多數情況下，最困難的部分是製備樣品。 它是通過改變各種條件（例如要準備的原料量和溫度）而產生的。 生產後，我們檢查是否獲得了所需的化合物，但它通常不起作用，因此當獲得所需的化合物時，我們感到非常興奮。 然後，如果準備就緒，就到了測量比熱等物理特性的時候了。 我是世界上第一個知道材料物理特性的人，所以在測量過程中我非常興奮。 如果校園內沒有測量設備，我們可能會和學生一起去校外的設施進行實驗。 與學生一起學習有關新型磁性材料的知識也是一個很大的吸引力。

未來展望

基於先前研究的結果，我們將繼續尋找比實際使用的材料表現出更大比熱的新化合物和合金。 最終，我們希望在製冷設備中實現它，以便它可以用於空間開發和醫療用途的製冷設備。 為此，我們還將進行實施的基礎研究。 我們希望與公司合作，將新的磁性材料推向世界。

給那些希望做這項研究的人的資訊

在我的研究中，我使用我在高中和大學學到的數學、物理和工程知識。 有些學生創建分析程式作為他們研究的一部分，所以我希望他們對各種事物感興趣。 此外，如果你真的動手和實驗，你就會明白它是多麼困難和有趣。 我認為體驗低溫實驗的機會不多，所以請試一試。