小型磁石が磁性巨人に初めて匹敵する強度を実現

手のひらに収まるほど小さな磁石が、世界で最も強力な磁石の強度に初めて匹敵することができました。

強力な磁石は科学技術全体で多くの役割を果たしており、MRI イメージングや粒子加速器から核融合の取り組みに至るまで、あらゆる分野で使用されています。それらの中で最も強力なものは、ほぼ完璧な効率で電気を伝導する材料である超伝導体で作られています。

しかし、強力な磁場を生成する超電導磁石はしばしばかさばります。小型のものは通常、超電導磁石と同じサイズです。 スター・ウォーズ ロボットR2D2は、最大のものは2階建ての建物に匹敵するが、スイスのチューリッヒ工科大学のアレクサンダー・バーンズ氏は言う。

彼と彼の同僚は現在、強度においてはこれらの大型磁石と競合できる超電導磁石を構築したが、その直径はわずか 3.1 ミリメートルである。彼らは、REBCOと呼ばれるセラミック材料の薄いテープをコイル状に巻くことによってそれを作りました。この材料は、極低温に冷却されると超伝導になります。これらのコイルは、電流が流れると磁場を生成します。

バーンズ氏によると、チームは商業会社から REBCO テープを購入し、最適な磁石の設計を見つけることに着手し、150 以上の磁石を作成してテストする必要がありました。 「私たちの戦略は、『頻繁に失敗し、早く失敗する』アプローチを開発し、採用することでした。」

彼らは最終的に、それぞれ 38 テスラと 42 テスラの強度の磁場を生成できる REBCO の 2 つまたは 4 つのパンケーキ型コイルを使用する設計に落ち着きました。比較のために言うと、冷蔵庫の磁石の磁場強度は通常 0.01 テスラ未満です。現在世界最強の定常磁場を生成している 2 つの磁石は約 45 テスラに達し、重量が数トンあり、最大 30 メガワットの電力を必要とします。バーンズ氏と彼のチームの磁石は手よりも小さく、必要な電力は 1 ワット未満です。

バーンズ氏によれば、最終的な目標は、この磁石を核磁気共鳴（NMR）に使用することだという。核磁気共鳴（NMR）とは、磁場を利用して薬剤や工業プロセスの触媒などの分子の構造を明らかにする実験技術である。同氏の見解では、この強力な技術は磁石が大きく高価であるために妨げられているが、研究者らはより多くの化学者がこの技術を利用できるようにしたいと考えている。バーンズ氏によると、チームはすでにNMRセットアップで磁石のテストを開始しているという。

「従来、40 テスラを超える磁場を生成するには、非常に大規模で高価な施設が必要でした。そのため、超電導テープを使用してこのようなコンパクトな装置で同様の磁場強度を達成することは重要です」とキングス カレッジ ロンドンのマーク エインズリー氏は述べています。 「これは、近い将来、超高磁場磁石がより広範囲の研究室で利用可能になる可能性があることを示唆しています。」

しかし、磁石が広く使われるようになるまでには、疑問が残っている。たとえば、磁場をどのように均一にできるか、コイルの電磁的挙動をどのように管理、制御できるかなどだ、と同氏は言う。