【ナゾロジー】磁場を当てるだけで冷える結晶を発見 [すらいむ★]

**すらいむ ★** · 2025/07/13(日) 20:43:29.53

磁場を当てるだけで冷える結晶を発見

　ドイツのブラウンシュヴァイク工科大学（TU Braunschweig）などで行われた研究により、緑色の鉱物「アタカマイト」が、磁石の力を与えるだけで自らを劇的に冷却する性質を持つことを明らかにしました。

　通常、冷蔵庫などの冷却装置はガスやコンプレッサー（圧縮機）を使って温度を下げていますが、この結晶はそうした機械的な仕組みを一切使わず、磁場を加えるというシンプルな方法だけで急激に冷却されます。

　まさに「物理学の常識を破る」ようなこの現象は、将来的に環境に優しい新しい冷却技術を生み出す可能性があります。

　しかしこの謎めいた結晶はいったいどんな仕組みで磁場で冷却を起こしているのでしょうか？

　研究内容の詳細は2025年5月27日に『Physical Review Letters』にて発表されました。

（以下略、続きはソースでご確認ください）

ナゾロジー　2025.07.11 21:00:08
https://nazology.kusuguru.co.jp/archives/181396

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:02:47.45

天然結晶は、その鮮やかな色彩、ほぼ完璧な外観、そして多様な対称性を持つ形状で人々を魅了します。しかし、研究者が結晶に関心を寄せる理由は全く異なります。既に知られている無数の鉱物の中に、常に特異な磁気特性を持つ物質が発見されるからです。その一つがアタカマイトで、低温で磁気熱量挙動を示します。つまり、磁場にさらされると物質の温度が大きく変化します。ブラウンシュヴァイク工科大学とドレスデン＝ローゼンドルフ・ヘルムホルツ・センター（HZDR）を率いる研究チームが、この稀有な特性を解明しました（DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.216701）。長期的には、この研究成果は、エネルギー効率の高い磁気冷却のための新材料開発に役立つ可能性があります。

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:03:02.01

エメラルドグリーンの鉱物アタカマイトは、最初に発見されたチリのアタカマ砂漠にちなんで名付けられ、含まれる銅イオンがその特徴的な色を生み出しています。これらのイオンは、物質の磁気特性も決定します。イオンはそれぞれ不対電子を持ち、そのスピンがイオンに磁気モーメントを与えます。これはコンパスの小さな針に相当します。「アタカマイトの特徴は、銅イオンの配列です」とユーリッヒ中性子科学センター (JCNS) のレオニーハインツェ博士は説明します。「それらは、鋸歯状鎖として知られる、連結した小さな三角形の長い鎖を形成します。」この幾何学的構造は、銅イオンのスピンが常に互いに反平行に揃おうとするのですが、三角形の配列のために、これを完全に実現することが幾何学的に不可能になります。「私たちはこれを磁気フラストレーションと呼んでいます」とハインツェ博士は続けます。このフラストレーションの結果、アタカマイトのスピンは、9ケルビン（-264°C）以下の非常に低い温度でのみ、静的な交互構造で整列します。

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:03:43.30

研究者らがHZDRの強磁場研究所（HLD）の極めて強い磁場下でアタカマイトを調べたところ、驚くべき事実が明らかになった。パルス磁場下で材料が顕著な冷却を示したのだ。しかも、わずかな冷却ではなく、元の温度のほぼ半分まで低下したのだ。この異常に強い冷却効果は、この状況下での磁気フラストレーション材料の挙動がほとんど研究されていないため、研究者らを特に魅了した。しかし、磁気熱量材料は、例えばエネルギー効率の高い冷却やガスの液化など、従来の冷却技術に代わる有望な代替技術と考えられている。なぜなら、あらゆる冷蔵庫で行われている冷媒の圧縮と膨張のプロセスの代わりに、磁気熱量材料を磁場の印加によって温度を変化させる環境に優しく、損失も少ない可能性がある手法で使用できるためである。

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:04:18.35

この強い磁気熱量効果の起源は何でしょうか？

欧州磁場研究所（EMFL）の様々な研究室で行われた追加研究により、より深い知見が得られました。「磁気共鳴分光法を用いることで、磁場を印加するとアタカマイトの磁気秩序が破壊されることを明確に実証することができました」と、HLDの科学者であるトミー・コッテ博士は説明します。「多くの磁気フラストレートした物質では、磁場がフラストレートを抑制し、秩序立った磁気状態を促進することが多いため、これは異例のことです。」

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:04:51.57

研究チームは、この鉱物の予想外の挙動の説明を、磁気構造の複雑な数値シミュレーションから見出しました。磁場は銅イオンの磁気モーメントを鋸歯状鎖の先端で磁場に沿って整列させ、予想通りフラストレーションを軽減しますが、まさにこれらの磁気モーメントが隣接する鎖との弱い結合を媒介します。これが除去されると、長距離磁気秩序はもはや存在できなくなります。また、このことから研究チームは特に強い磁気熱量効果の説明も得ました。この効果は、磁場が系の無秩序性、より正確には磁気エントロピーに影響を及ぼすときに常に発生します。この急激なエントロピー変化を補正するために、物質はそれに応じて温度を調整する必要があります。これがまさに、研究チームがアタカマイトで実証することに成功したメカニズムです。

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:05:25.82

「もちろん、アタカマイトが将来、新しい冷却システムに使用するために大量に採掘されるとは考えていません」とトミー・コッテ博士は述べています。「しかし、私たちが調査した物理的メカニズムは根本的に新しいものであり、観測された磁気熱量効果は驚くほど強力です。」研究チームは、この研究がさらなる研究、特に磁気フラストレーション系の広範な分野における革新的な磁気熱量材料の探究につながることを期待しています。

**名無しのひみつ** · 2025/07/13(日) 21:10:30.01

Magnetic cooling – using a frustrated desert mineral
Research team identifies atacamite as a magnetocaloric material
磁気冷却 - フラストレートした砂漠鉱物の利用
研究チームはアタカマイトが磁気熱量物質であることを特定し

（物理学において、フラストレーションとは、競合する相互作用によって系がエネルギーを最小化する状態に到達できない状況を指します。これは、スピンの配置がすべての相互作用を同時に満たすことができず、複雑で多様な状態につながる磁気系でよく発生します。）