今年のNicholas Kurti 科学賞の応募が締め切られた今、昨年の受賞者であるドレスデン強磁場研究所のグループリーダー、Tino Gottschall博士にお話を伺いました。

Nicholas Kurti 科学賞は、オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスが主催し、ヨーロッパで低温または強磁場を用いた研究を行う若手科学者の斬新な研究を促進・表彰することを目的としています。私たちは、多くの若手科学者が博士課程を修了してから正式な研究職に就くまでの間、重要かつ困難な局面に立たされることが多いことを理解しています。このため、本賞では、革新的な研究を行っている個人に対して、経済的な支援と研究活動の促進を行うことを目的としています。本賞は、オックスフォード大学クラレンドン研究所において超低温物理学の分野で優れた業績をあげ、特に核磁気共鳴の最初の実証を行ったNicholas Kurti 教授（1908-1998）を記念するものです。

Tino Gottschall博士は、磁気冷凍の分野における画期的な発見が評価され、同賞を受賞しました。今回のブログでは、Tino 博士の受賞の意味、この分野での研究内容、そして今後の磁性材料研究の展望をご紹介します。

2021年Nicholas Kurti 科学賞の受賞のお気持ちは？

Nicholas Kurti 科学賞を受賞し、本当に言葉を失いました。磁性材料は私が本当に情熱を注いでいる分野であり、その研究開発に何年も費やしてきましたので、今回の受賞は私にとって大変な栄誉です。私を選んでくださった選考委員会の皆様、そしてもちろん、この名誉ある賞を長年にわたって実現してくださったオックスフォード・インストゥルメンツに感謝しています。

受賞に至った研究について教えてください。

私の仕事は、基礎科学と応用科学の分野で、磁気熱力学的材料に焦点を当てたものでした。ヘルムホルツ-RSF共同研究グループの磁気熱媒水素液化に関するプロジェクトの一環として、世界初の大規模磁気液化装置のための前提条件をつくりました。

私は、磁性材料の研究に長年情熱を傾けてきました。私は2019年にMagnoTherm Solutionsの共同設立者となり、磁気熱効果、マルチカローリック冷却サイクルに関する文献を発表し、多くの磁気研究に貢献してきました。私は、磁性材料の分野で35歳以下のヨーロッパの科学者の中で最も引用されている一人であることを光栄に思っています。

研究内容を詳しく教えてください。

磁場冷却は、急激に変化する磁場にさらされると温度が変化する、強い断熱消磁効果を示す物質を利用します。このような物質のスピンは通常無秩序であり、磁場をかけることで初めて整列します。乱れた状態から整列した状態になることで、物質のエントロピーが減少します。このエントロピーは、磁場をかけると磁性体から結晶格子に移動するために原子の振動が激しくなり、物質の温度は上昇します。磁場を取り除くと逆にスピンが無秩序な状態に戻り、物質が冷えていきます。

磁気冷却の効果を利用して、冷凍機のような働きをする機械を作ることができます。室温では、熱を送るため必要なのは水だけなので、現在一般的に使われているガス状の冷媒よりもはるかに環境に優しいという大きな利点があります。私の研究では、HLDで設計・製作されたパルス磁場磁石を利用しています。この磁石は、最大100 Tの磁場を数ミリ秒の短時間に発生させることができます。例えば、希土類元素のガドリニウムの場合、パルス磁場が60 Tに達すると、60 Kの温度上昇が観測されましたが、磁場がゼロに戻る瞬間に温度変化もゼロになりました。このようなことができる材料は他にありませんから、とても興味深いですね。

実験上の最大のチャレンジはどういったものですか？

私の実験上の主な課題のひとつは、短い時間スケールで試料の温度を正確に測定することです。私は35 μmという薄さの熱電対を作ることでこれを解決しました。また、他の材料特性も同時に定量化する必要があります。特に、磁気誘導体材料では長さや体積の変化が非常に顕著に現れます。私は、16 Tの静的超伝導磁石をベースにした熱量計を使い、広い温度範囲にわたって試料の熱容量を記録しています。パルス磁場実験は、温度変化や運動学的効果を測定できる点でユニークですが、全体像を把握し、材料を最適化するためには、静的な条件も必要なのです。

磁性材料の研究では、今後どのようなことが期待されますか？

私は、大量の水素燃料を貯蔵・輸送するために重要なプロセスである水素の液化における磁場冷却の可能性を探りたいのです。現在の水素液化技術は効率が20〜25％と低く、水素に含まれるエネルギーのほとんどを液化工程で消費していることになります。

磁気冷却は、このプロセスをより効率的に行える可能性があります。現在、私は研究をさらに強化するために研究助成金に応募しています。論文発表や引用は重要ですが研究費を決定する人はその分野の専門家ではないことが多いのです。この科学賞の受賞によって得られた評価は、私の研究を前進させ、より持続可能な未来を築くために非常に貴重なものです。

Author - George Pickett

Dr. Tino Gottschall