No se necesitan tierras raras ni helio líquido Material de refrigeración criogénica compuesto únicamente de elementos abundantes
Prometedora aplicación a la refrigeración en resonancia magnética médica y ordenadores cuánticos
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En colaboración con el Instituto Nacional de Tecnología (KOSEN) y el Oshima College, el Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales (NIMS) consiguió desarrollar un nuevo material regenerador compuesto únicamente de elementos abundantes, como cobre, hierro y aluminio, que puede alcanzar temperaturas criogénicas (aprox. 4 K = -269 °C o menos) sin utilizar metales de tierras raras ni helio líquido. Utilizando una propiedad especial llamada "frustración" que se encuentra en algunos materiales magnéticos, en los que los espines no pueden satisfacer simultáneamente las orientaciones de los demás en una red triangular, el equipo demostró un método novedoso que sustituye a la tecnología convencional de refrigeración criogénica dependiente de las tierras raras. El material desarrollado es prometedor para responder a la falta de helio líquido, así como para su aplicación a la refrigeración estable en resonancias magnéticas médicas (IRM) y ordenadores cuánticos, cuya demanda se espera que siga creciendo. Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista científica británica Scientific Reports el 22 de diciembre de 2025.
En los años sesenta, los refrigeradores GM utilizaban plomo (Pb) como material de almacenamiento en frío, pero en los noventa se introdujo el compuesto metálico de tierras raras HoCu2, y el rendimiento de refrigeración mejoró drásticamente. Aunque el material de almacenamiento en frío sin tierras raras CuFe0,98Al0,02O2 (CFAO) desarrollado en este estudio tiene una capacidad de refrigeración comparable a ellos, conduce a tecnologías de refrigeración criogénica sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, ya que el material se compone únicamente de elementos abundantes.
Noriki Terada, National Institute for Materials Science
Antecedentes
La tecnología de refrigeración criogénica que se ha utilizado principalmente en la resonancia magnética médica, etc., tenía el problema de depender en gran medida del helio líquido y de elementos de tierras raras que están sujetos a la inestabilidad del suministro y a problemas de agotamiento de los recursos. Por ejemplo, el holmio, que se utiliza actualmente en los materiales de los regeneradores, tiene una producción anual de sólo 100 toneladas y sus reservas están desigualmente distribuidas. Por tanto, dado que se prevé que la demanda de refrigeración criogénica aumente considerablemente en el futuro, era muy necesario desarrollar una nueva tecnología de refrigeración que no dependa de recursos tan escasos.
Principales hallazgos
En este estudio, un equipo de investigación conjunto del NIMS y el Instituto Nacional de Tecnología (KOSEN) de la Facultad de Oshima consiguió desarrollar un material regenerador para refrigeradores mecánicos (refrigeradores Gifford-McMahon [GM]) capaz de enfriar a temperaturas criogénicas sin utilizar helio líquido, que no contiene elementos metálicos de tierras raras y utiliza un material compuesto únicamente por elementos abundantes, como cobre, hierro y aluminio. El equipo demostró que el material exhibe un alto calor específico a temperaturas criogénicas a pesar de ser un metal de transición, utilizando un efecto conocido como "frustración", que se encuentra específicamente en materiales magnéticos que tienen una estructura cristalina especial llamada red triangular, donde las orientaciones de espín se vuelven difíciles de alinear hasta que alcanzan temperaturas criogénicas. El material alcanzó un rendimiento comparable al de los materiales refrigerantes convencionales que contienen tierras raras (compuestos de holmio). Era la primera vez que un material regenerador magnético para refrigeradores que no utiliza elementos de tierras raras mostraba un rendimiento de nivel práctico.
Perspectivas de futuro
El material de refrigeración criogénica desarrollado en este estudio utiliza recursos abundantes, por lo que es altamente sostenible y respetuoso con el medio ambiente. Por lo tanto, es prometedor para su aplicación a la refrigeración criogénica en resonancias magnéticas médicas y ordenadores cuánticos, cuya demanda se espera que siga creciendo.
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