Pas besoin de terres rares ou d'hélium liquide ! Matériau de refroidissement cryogénique composé uniquement d'éléments abondants
Une application prometteuse pour le refroidissement de l'IRM médicale et des ordinateurs quantiques
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En collaboration avec l'Institut national de technologie (KOSEN), l'Oshima College et l'Institut national pour la science des matériaux (NIMS), l'équipe a réussi à mettre au point un nouveau matériau régénérateur composé uniquement d'éléments abondants, tels que le cuivre, le fer et l'aluminium, qui peut atteindre des températures cryogéniques (environ 4 K = -269°C ou moins) sans utiliser de métaux à base de terres rares ou d'hélium liquide. En utilisant une propriété spéciale appelée "frustration" que l'on trouve dans certains matériaux magnétiques, où les spins ne peuvent pas satisfaire simultanément leurs orientations respectives dans un réseau triangulaire, l'équipe a démontré une nouvelle méthode qui remplace la technologie conventionnelle de refroidissement cryogénique dépendant des terres rares. Le matériau développé est prometteur pour répondre au manque d'hélium liquide ainsi que pour une application au refroidissement stable dans l'imagerie médicale par résonance magnétique (IRM) et les ordinateurs quantiques, dont la demande devrait continuer à croître. Ce résultat de recherche a été publié dans la revue scientifique britannique Scientific Reports le 22 décembre 2025.
Dans les années 1960, les refroidisseurs GM utilisaient du plomb (Pb) comme matériau de stockage du froid, mais dans les années 1990, le composé métallique à base de terres rares HoCu2 a été introduit, et la performance de refroidissement s'est considérablement améliorée. Le matériau de stockage à froid sans terres rares CuFe0.98Al0.02O2 (CFAO) mis au point dans cette étude a une capacité de refroidissement comparable à celle de ces matériaux, mais il permet de mettre au point des technologies de refroidissement cryogéniques durables et respectueuses de l'environnement, car le matériau est composé uniquement d'éléments abondants.
Noriki Terada, National Institute for Materials Science
Contexte
La technologie de refroidissement cryogénique qui a été principalement utilisée dans l'IRM médicale, etc., avait pour problème d'être fortement dépendante de l'hélium liquide et des éléments des terres rares qui sont sujets à l'instabilité de l'approvisionnement et à des problèmes d'épuisement des ressources. Par exemple, l'holmium, qui est actuellement utilisé dans les matériaux des régénérateurs, ne produit que 100 tonnes par an et ses réserves sont inégalement réparties. Par conséquent, étant donné que la demande de refroidissement cryogénique devrait augmenter de manière significative à l'avenir, il était absolument nécessaire de développer une nouvelle technologie de refroidissement qui ne dépende pas de ces ressources rares.
Principales conclusions
Dans cette étude, une équipe de recherche conjointe du NIMS et de l'Institut national de technologie (KOSEN), Oshima College, a réussi à développer un matériau régénérateur pour les refroidisseurs mécaniques (refroidisseurs Gifford-McMahon [GM]) capable de refroidir à des températures cryogéniques sans utiliser d'hélium liquide, qui ne contient pas d'éléments métalliques à base de terres rares et utilise un matériau composé uniquement d'éléments abondants, tels que le cuivre, le fer et l'aluminium. L'équipe a démontré que le matériau présentait une chaleur spécifique élevée à des températures cryogéniques bien qu'il s'agisse d'un métal de transition, en utilisant un effet connu sous le nom de "frustration", que l'on trouve spécifiquement dans les matériaux magnétiques qui ont une structure cristalline spéciale appelée réseau triangulaire, où les orientations de spin deviennent difficiles à aligner jusqu'à ce qu'elles atteignent des températures cryogéniques. Le matériau a atteint des performances comparables à celles des matériaux de refroidissement conventionnels contenant des terres rares (composés d'holmium). C'est la première fois qu'un matériau magnétique régénérateur pour refroidisseurs n'utilisant pas de terres rares présente des performances pratiques.
Perspectives d'avenir
Le matériau de refroidissement cryogénique mis au point dans cette étude utilise des ressources abondantes, ce qui le rend très durable et respectueux de l'environnement. Il est donc prometteur pour le refroidissement cryogénique des IRM médicales et des ordinateurs quantiques, dont la demande devrait continuer à croître.
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