磁性物理学分野

磁性物理学分野

磁石が示す磁性(磁力)の主な原因は磁石を構成する原子に含まれる電子のスピンです。つまり電子をもつすべての元素が磁性を示すのですが、元素によって電子の数が異なり、磁性の種類や強さが異なります。たとえば鉄に代表される遷移元素の多くは磁気モーメントを持つため強い磁性を示し、磁石には必ず遷移元素が入っています。しかし、元素1つ1つの磁性が分かっても、物質の磁性を理解したことにはなりません。元素の組み合わせや、距離や配列により、お互いに及ぼしあう作用が異なってくるからです。電子が膨大な数(10の23乗個程度)集まった物質が作り出す磁性の多様性は無限にあるといって良いでしょう。同様に物質中の電子が作り出す興味深い現象としては超伝導がありますが、近年そのメカニズムに磁性が重要な役割を担うとして活発に議論されています。このように磁性は独立した研究分野ではなく、様々な物性現象と絡んで広がっていく魅力があり、応用面でも、磁石のみならず磁気冷凍材料や磁気記録など、多方面で新しい磁性材料の開発が求められています。

私たちの研究室では、主に遷移元素からなる化合物の磁性を実験的に研究しています。高温炉を用いたサンプルの作製から始め、SQUID磁力計を用いた磁化測定や電気抵抗率、核磁気共鳴(NMR)、メスバウアー効果測定により磁性を多角的に調べています。1つの測定でも温度や磁場、圧力を変化させると物質はいろいろな顔を見せ、その応答により磁性が明らかになってきます。物質の組成(構成する複数の元素の割合)を変化させることによっても、磁性を系統立てて知ることが出来ます。こうして得られた様々な測定結果から物質の磁性が明らかになるさまは推理小説の謎解きにも似た面白さがあります。

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天児 寧
天児 寧 Link 教授
磁石でおもしろ実験 磁化の温度変化が大きいと、大きなエントロピー変化が得られる
中島 美帆

中島 美帆 Link

准教授
重い電子系圧力誘起超伝導体の発見をめざして 科学という世界は,常に世界中のライバルと競争しなければならない過酷さを有す一方で,世界中の人と共通の話題で熱く語り合うことができるという魅力的な世界です

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希土類元素の中にガドリニウム(Gd)という金属があります。この金属に磁石を急に近づけると?

1. 温度が高くなる。
2. 温度変化はしない。
3. 温度が低くなる。
1. 温度が高くなる。

遷移元素の多くは、磁気モーメント (原子単位の微小磁石)をもっています。ガドリニウムは低温でこの磁気モーメントが同一の方向に揃った状態(強磁性状態)を取りますが、室温付近で方向が乱雑な状態(常磁性状態)への相転移を起こします。この状態で磁石を近づけると、磁気モーメントが磁場方向に揃うため、磁気エントロピーは減少して発熱します。逆に、磁石を遠ざけるとガドリニウムの温度は低下します。このように、磁場の変化による磁性体の温度の変化を、"磁気熱量効果"と呼び、この現象を利用して冷凍を行うのが磁気冷凍です。磁気冷凍は、コンプレッサーを用いないため効率を上げるポテンシャルを持ち、フロンや地球温暖化ガスを用いない地球に優しい冷凍法です。

アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)のうち超伝導体はどれ?

1. アルミニウム(Al)
2. 銅(Cu)
3. 銀(Ag)
4. どれも超伝導体ではない
1. アルミニウム(Al)

アルミニウムは1.2 K(-272℃)以下で超伝導を示します。アルミ缶などで身近にある金属なので意外な気もしますね。
この他スズ(Sn)、鉛(Pb)、亜鉛(Zn)といった金属も超伝導を示します。ただし、これらの金属は超伝導になる温度が非常に低温であるために、我々の生活のなかで気軽に使うことはできません。
ここで、「高温超伝導体」をいう名前を思い出した人も多いでしょう。高温超伝導体は液体窒素の沸点77 K(-196℃)より高い温度で超伝導を示すので、比較的簡単に超伝導状態を実現できる物質なのですが、ひとつ欠点があります。高温超伝導体は金属元素を含みますが厳密には金属ではなく、身近なものでいうと陶磁器に近いもので、展延性がなく実用のために加工することが非常に難しいのです。
では実用化しやすく転移温度が高い超伝導体を見つけるにはどうしたらいいのでしょうか?答えはまだありません。超伝導のメカニズムがまだ正確にはわかっていないからです。現在も世界中で理論面、実験面から様々な研究が続けられています。いま超伝導に興味を持ったあなたも、将来その研究に加わることができるかもしれません。