超伝導体を活用した新たな熱ダイオードの開発に成功！

超伝導体を利用した革新的な熱ダイオード技術

電子デバイスの性能向上が求められる中、熱の流れを自在に操る技術が世界各地で進んでいます。特に、サーマルマネージメント技術として注目されているのが、熱の導電性を大きく変化させることができる熱スイッチング材料です。以前、東京都立大学においても、この技術を応用した磁気熱スイッチング技術の開発が進められていましたが、最近では超伝導体を用いた新たな熱ダイオードが開発され、その成果が2025年10月21日に発表されました。

熱ダイオードの特徴

熱ダイオードとは、温度差を設けることで、熱の流動性が一方向と逆方向で異なるという特性を持つ材料です。これは電流の整流と類似していますが、熱流に適用される点が異なります。これまで、超伝導体を利用した熱ダイオードの研究がされてきましたが、実験的に明確な熱整流が観測されたのは今回のPb-Al接合が初めての出来事となります。

無接合で実現

本研究では、高純度の鉛線を部分的に曲げて、接合無しで熱ダイオードを製作することに成功しました。この手法により、2倍以上の整流比を達成し、装置が熱ダイオードとして十分に機能することが示されました。接合部で生じる熱抵抗が大きな課題とされていた中、研究チームはこの新たなアプローチで問題を解決しました。

磁場による熱特性の変化

研究において、熱ダイオードの性能は印加される磁場の方向によって異なることが確認されました。このため、超伝導転移温度以下での状態において熱の導電特性が変わることが分かりました。この新しい技術は、未来の低温機器でのサーマルマネージメントにおいて重要な役割を果たすことが期待されています。

実験の成果と今後の展望

実験では、測定端子を使用して4端子法で熱伝導率を測定し、温度差と熱流量から熱伝導率の温度依存性を解析しました。これにより、曲げたPb線が高い熱整流比を示すことが確認され、将来的には異なる材料や曲げ方の最適化を通じてさらなる性能向上が目指されています。

研究の意義

この研究は、サーマルマネージメントの領域における接合の無い熱ダイオード設計の新たな指針を示しました。Pb超伝導体の特性を利用することで、動作温度が極低温に制限されているものの、わずかな温度差および弱い磁場での高効率動作が可能である点は大きな魅力となります。また、将来の高性能電子デバイスに貢献する可能性を秘めています。