(57)【要約】【課題】強磁場を必要とせず、電圧制御による強磁性―常磁性転移を誘起させて、これを用いた冷却素子を得る。【解決手段】少なくとも１つのキャリア誘起磁性効果を示す作業物質層１３と、少なくとも１つの絶縁層１４を介して作業物質層１３と対向して電極層１５が配置された構造とする。電極層１５と作業物質層１３の間に電圧を印加することにより、作業物質層１３は少なくとも強磁性−常磁性転移を生じ、作業物質層１３において発熱・吸熱作用を制御する。これにより作業物質層１３で吸収した熱を絶縁層１４を介して電極層１５側へ伝達することにより、対象物を冷却することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのキャリア誘起磁性効果を示す作業物質層と、少なくとも１つの絶縁層を介して作業物質層と対向して電極層が配置されており、前記電極層と作業物質層の間に電圧を印加することにより、前記作業物質層は少なくとも強磁性−常磁性転移を生じ、前記作業物質層において発熱・吸熱作用を制御することを特徴とする冷却素子。
【請求項２】
前記電極層と作業物質層間に印加される電圧の極性が交互に変化する請求項１に記載の冷却素子。
【請求項３】
前記作業物質層は磁性半導体、または、半磁性半導体からなる請求項１または２に記載の冷却素子。
【請求項４】
前記電極層の熱伝導率は前記作業物質層よりも大きいことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の冷却素子。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の冷却素子に、外部磁界を印加する手段を有することを特徴とする冷却素子。
【請求項６】
前記外部磁界を印加する手段が、永久磁石からなる請求項５に記載の冷却素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は外部電圧で強磁性―常磁性転移を生じさせて、発熱・吸熱作用を制御することで冷却動作が可能な小型で冷却効率の高い冷却素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍方式といえば、フロンや代替フロンガスを利用した気体冷凍があるが、その効率は極めて低くまた装置も大型となる。これに代わる新たな冷凍方式として磁性体の磁気熱量効果を用いた磁気冷凍があり、従来の気体冷凍よりもエネルギー効率が高く、地球環境にやさしい技術である。
【０００３】
磁気熱量効果とは磁性体に磁界を印加しておくと磁性体が発熱し、磁界を取り除くと温度が下がる現象である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
磁性体が冷えるのは、外部磁界により磁性体中の磁化の方向が揃っている状態から磁界をゼロにすると磁化の方向がバラバラとなり磁気エントロピーが増大するためである。この時に磁性体の周りから熱を奪う（吸熱）ことにより、冷凍を行うことが可能となる。
【０００５】
図１０を用いて磁性体のエントロピーの温度依存性を説明する。磁性体のエントロピーは温度と共に増加するが、一定の温度では磁場が印加された状態の方がエントロピーは小さい。今、温度Ｔ１で磁場がゼロであるＨ０中の状態（Ａ）から磁場を印加してＨ１（＞０）中の状態（Ｂ）にするとエントロピーの減少分は同図の△ＳＭで表され、磁性体は外部に熱量△Ｑ＝△ＳＭＴ１を放出する。
【０００６】
磁性体が温度Ｔ２（＜Ｔ１）であるとき、断熱過程（図１０の点Ｃから点Ｂ）では磁場をゼロ（Ｈ０）からＨ１へ増加させた場合、磁性体の温度は△Ｔａｄだけ上昇する。図１０の点Ｂから点Ａに向けて温度Ｔ１で磁性体を等温磁化し、その後、点Ａから点Ｃに向けて断熱消磁することで温度はＴ２へと低下する。
【０００７】
磁気冷凍の性能は、磁気熱量効果を示す磁気作業物質に大きく依存する。冷却効率は△ＳＭや△Ｔａｄが大きい程よいため、強磁性―常磁性転移を示す磁性体が大きな磁気熱量効果を示す。強磁性―常磁性転移は特に磁気作業物質のキュリー温度近傍で生じ、その磁気作業物質のエントロピー変化はキュリー温度において大きく変化する。
【０００８】
磁気熱量効果を示す磁性材料は、外部磁界がゼロである場合は、磁性体のキュリー温度で大きなエントロピー変化が生ずる。さらに磁界Ｈ１（＞０）を印加した状態ではキュリー温度よりも高い温度で常磁性から強磁性への転移が生ずるためエントロピー変化は大きい。
【０００９】
従って、磁界中でも鋭い強磁性―常磁性転移が生じることと、磁界によりキュリー温度が大きくなることが必要である。磁気熱量効果を呈する磁性材料は磁界内に置かれると温度を上げ、そして、磁界から外へ出されると温度を下げる。
【００１０】
そのような固体の磁性材料へ磁界をかけることは、ガスを圧縮すること（温度を上昇させる）に似ており、そのような固体の磁性材料から磁界を取り除くことは、ガスを膨張させること（温度を低下させる）に似ている。こうして認識されたことは、ガスの冷却サイクルに似た仕方で磁性材料を作動材料として利用して、熱量を動的に利用する冷却サイクルを達成できることである。
【００１１】
従来の磁気冷凍機としては、蓄冷器として水とエタノールの混合液を用い、磁気作業物質層であるＧｄを７Ｔ（テスラ）の磁界中を移動させることで冷却させている（例えば、非特許文献２参照）。また、最近では磁性体が蓄冷器の役割を備えた内部蓄熱方式（ａｃｔｉＶｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ：ＡＭＲ）が開発されており、高い冷却効率を得ている（例えば、非特許文献３参照）。従来の磁気冷凍器として使用される磁気作業物質層としてはＧｄやＧｄＧａＯ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）が用いられる。
【００１２】
しかしながらこれら磁気作業物質層を用いて冷却するには、少なくとも数Ｔ（テスラ）程度の強磁界を必要とするため、小型化が困難であるという問題がある。小型の固体冷却素子として、ペルチェ効果を用いた熱電冷却素子があるが、熱電変換を利用するには電流を流し続ける必要がありエネルギー変換効率の点で磁気冷凍の方が優れている。
【００１３】
【非特許文献１】
Ｗ．Ｆ．Ｇｉａｕｑｕｅ、“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  Ｖｏｌ．４９  （１９２７）  ｐ１８７０．”
【非特許文献２】
Ｇ．Ｖ．Ｇｉａｕｑｕｅ、“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．４７  （１９７６）  ｐ３６７３．”
【非特許文献３】
Ｖ．Ｋ．Ｐｅｃｈａｒｓｋｙ他一名、“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｖｏｌ．２００  （１９７６）  ｐ４４．”
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら磁気作業物質層を用いて冷却するには、少なくとも数Ｔ（テスラ）程度の強磁界を必要とし、さらに、磁気作業物質層を磁界中で移動させなければならないため、小型化が困難であるという問題がある。小型の固体冷却素子として、ペルチェ効果を用いた熱電冷却素子がある。しかしながら熱電変換を利用するには電流を流し続ける必要がありエネルギー変換効率の点で磁気冷凍の方が優れている。
【００１５】
本発明は前記従来の問題点を解決するためになされたものであり、強磁界を必要とせず、上記磁気冷凍作業物質層の電圧印加による常磁性（非磁性）−強磁性転移現象を利用することで冷却効率を得、ペルチェ効果を用いた熱電冷却素子のような小型で、かつ、優れた冷却性能を有する冷却素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却素子は、少なくとも１つのキャリア誘起磁性効果を示す作業物質層と、少なくとも１つの絶縁層を介して作業物質層と対向して電極層が配置されており、前記電極層と作業物質層の間に電圧を印加することにより、前記作業物質層は少なくとも強磁性−常磁性転移を生じ、前記作業物質層において発熱・吸熱作用を制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明の冷却素子において、電極層と作業物質層間に印加される電圧の極性が交互に変化することで、作業物質層の発熱・吸熱作用が繰り返されることで、作業物質層が吸収した熱量を絶縁層を介して電極層側へ伝達することで、作業物質層側を冷却することが可能となる。
【００１８】
本発明の冷却素子を構成する作業物質層は磁性半導体、または、半磁性半導体を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の磁気冷却素子を構成する電極層の熱伝導率は作業物質層よりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
本発明の冷却素子は、外部磁界を印加する手段を有することを特徴としてもよい。その外部磁界を印加する手段が、永久磁石から構成されてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の冷却素子について図面等を用いて説明する。
【００２２】
図１は本発明の冷却素子１００の構成を示す断面図である。冷却素子１００は基板１１上に形成されており、キャリアを注入することで磁化が発生するキャリア誘起磁性効果を有する作業物質層１３は、絶縁層１４を介して電極層１５が積層された構造となっている。作業物質層１３と電極層１５に電圧を印加することで、絶縁層１４を介して作業物質層１３へキャリアを注入することができる。作業物質層１３はキャリアを注入することで作業物質層を構成する磁性スピン間の磁気的相互作用が強くなり強磁性状態となるキャリア誘起磁性を示す。
【００２３】
作業物質層１３は注入するキャリア量によって磁性スピン間の磁気的相互作用を強くしたり弱くしたりすることができる。磁気秩序の弱い状態（例えば常磁性状態や非磁性状態等）と強い強磁性状態との間の転移を制御されることができる。例えば作業物質層１３はキャリア注入量が多くなると、作業物質層内の磁気スピンを担う原子間同士の磁気的相互作用が強くなって強磁性状態となる。逆に、キャリア注入を止めるもしくはキャリアの引き出しを行うと磁性スピン間の磁気的相互作用が弱くなり常磁性状態もしくは非磁性状態へと変化する。つまり作業物質層１３は注入されるキャリア量によって強磁性―常磁性転移を生じ、キャリア量の制御は作業物質層１３と電極層１５との間の電圧により制御することができる。
【００２４】
本発明の冷却素子１００におけるこのキャリア量による強磁性−常磁性転移の動作原理について図２を用いて説明する。作業物質層１３はキャリアが注入されていない状態では、磁性スピン間に働く磁気的相互作用は弱く、常磁性状態もしくは非磁性となっている（図２（ａ））。（ａ）の状態から作業物質層１３と電極層１５ｔの間に電圧を印加して絶縁層１４からキャリアを作業物質層１３へ注入すると、作業物質層内の磁気スピン間に働く磁気的相互作用が強くなり強磁性状態となる（図２（ｂ））。
【００２５】
すなわち、電極層１５に対する印加電圧のオン・オフにより作業物質層１３は強磁性―常磁性転移を生ずる。なお、作業物質層１３は印加電圧がオフの場合に常磁性ではなく強磁性状態であっても、図２（ｂ）で電極層１５と作業物質層１３間に印加した電圧とは逆の向きに電圧を印加するとキャリアの引き出しを行うことができ、磁気スピン間に働く磁気的相互作用を弱めて常磁性状態にすることができる。
【００２６】
従って、作業物質層１３と電極層１５との間の電圧を制御すること（作業物質層１３へのキャリアの注入・引き出しを行うこと）により強磁性―常磁性転移を制御することが可能となる。
【００２７】
図３にキャリア誘起磁性効果を有する作業物質層１３のホール抵抗の印加電圧依存性を示す。図３において（２）の実線は電極層１５に負の電圧（Ｖ＜０）を印加した場合であり、ホール抵抗の磁場依存性はヒステリシスを示し図２（ｂ）の強磁性の状態に相当している。図３の（１）の破線は電極層１５に図２（ｂ）とは逆の極性の電圧（Ｖ＞０）を印加すると、常磁性状態へ転移してヒステリシスが消失する。このように作業物質層１３と電圧１５間に印加する電圧の極性を変化させることで作業物質層１３の強磁性−常磁性転移を生じさせることが可能となる。
【００２８】
図２（ａ）の常磁性状態から図２（ｂ）の強磁性状態へ転移した場合、作業物質層１３の磁気スピンが整列することで磁気エントロピーは減少し、作業物質層１３から発熱が生じ、周りへ熱を放出して（発熱作用）、作業物質層１３の温度が低下する。
【００２９】
逆に図２（ｂ）の強磁性状態から、図２（ａ）の常磁性状態へ転移させた場合、磁気エントロピーが増大して、吸熱作用が生じ、作業物質層１３の周りから熱を奪う。従って、作業物質層１３はキャリア注入をすることで発熱し、キャリア注入を止めるもしくはキャリア引出しをすることで吸熱する。
【００３０】
図４は、図２で示したキャリア注入時における強磁性状態（図２（ｂ）、）と引き出し時における常磁性状態（図２（ａ））に対応する印加電圧と磁気エントロピー（磁化）の関係を示している。図４において、電極層１５にゼロまたは正の電位を印加した状態（時間ｔ１、ｔ３、ｔ５の状態。図４では正の電位）では、キャリアが作業物質層１３中から引き出され常磁性状態であり、図２（ａ）に対応する。電極層１５に負の電圧を印加した状態（時間ｔ２、ｔ４の状態）では、キャリアが注入されて、作業物質層１３は強磁性状態になっており、図２（ｂ）に対応する。
【００３１】
印加電圧の符号によりキャリアの引き出し・注入が行われるのに対応して、作業物質層１３の磁気エントロピーは増大・減少を繰り返す。従って、印加電圧の極性の変化に対応して、印加電圧が正から負へ変化した場合は（図４で時間ｔ１→ｔ２、ｔ３→ｔ４に対応）作業物質層１３は吸熱する。逆に、印加電圧が負から正へ変化した場合は（図４で時間ｔ２→ｔ３、ｔ４→ｔ５に対応）作業物質層１３は発熱する。
【００３２】
このように作業物質層１３へのキャリア注入のオン・オフを繰り返すことにより、発熱と吸熱作用を繰り返すことで作業物質層の温度が下がり、対象物を冷却することが可能となる。
【００３３】
作業物質層１３が常磁性状態から強磁性状態へ転移した場合、発熱し、発生した熱は、絶縁層を介して電極層１５側へと伝熱する。逆に、作業物質層１３が強磁性状態から常磁性状態へ転移する場合は、周囲から熱を吸収するため、作業物質層に接して発熱体もしくは冷却対象物を配置することで、この対象物を冷やすことが可能となる。ここで作業物質層１３から発生した熱を絶縁層１４へ効率的に伝達するためには、絶縁層１４の熱伝導率は作業物質層１３よりも大きいほうが良い。
【００３４】
キャリア誘起磁性を呈する作業物質層１３は、キャリア注入を行うことにより強磁性状態が強くなり温度を下げ、そして、キャリアの引き出しをされて強磁性状態が弱くなると温度を上げる。そのようなキャリア注入・引き出しは電極層間に印加される電圧により制御することで可能であり、これは、磁気熱量効果を示す磁性材料が磁界内に置かれると温度を上昇させ、磁界から外へ出されると温度を低下させることに似ている。つまり、本発明の冷却素子は熱量を動的に利用する冷却を実現することが可能となる。
【００３５】
作業物質層１３としては、キャリアを注入することで強い磁気状態が発生するものであれば特に限定するものではないが、例えば、磁性半導体を用いることができる。磁性半導体は半導体中に磁性原子が分散して存在しており、半導体中のキャリア量によって磁性原子間に強磁性的な相互作用が誘起されて強磁性状態が実現する。この強磁性状態は半導体中にドープする磁性元素の量によってもその強磁性状態、即ちキュリー温度を制御したりすることが可能である。つまり、磁性原子（磁性イオン）同士の間にキャリアを生成及び消滅させることで、磁性原子同士に働く磁気結合状態を制御することが可能となる。
【００３６】
磁性半導体としては、ＩＩＩ−Ｖ族ベース半導体（ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等）、ＩＩ−ＶＩ族ベース半導体（ＺｎＴｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ等）や、カルコゲナイド系半導体、ＩＩ−ＩＶ−Ｖｂ族カルコパイライト型半導体（ＣｄＧｅＰ等）や、ワイドバンドギャップ半導体（ＺｎＯ、ＴｉＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ等）に遷移金属（Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを少なくとも一種含む元素）を含有させた磁性半導体材料を用いることができる。作業物質層としてほかには、ＥｕＴｅ、ＥｕＳ等の半磁性半導体等を用いることができる。また、磁性半導体中や半磁性半導体中に磁性ナノクラスターが分散されていても、キャリア注入の制御により磁気状態を制御できる材料であればよい。
【００３７】
なお、作業物質層１３の厚みは約５０ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下である。
【００３８】
絶縁層１４としては絶縁特性の優れた単体もしくは化合物の少なくとも一種以上からなる薄膜層であればよい。絶縁層を構成する材料は隣接する作業物質層や電極層との結晶学的な整合性などを考慮して選択すればよい。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、ＴａＯ２、ＣｅＯ２、ＢｅＯなどの酸化物絶縁体やＡｌＮ等の窒化物絶縁体、ＧａＡｌＡｓ等を用いればよい。作業物質層にキャリアを注入・引き出しを行うために絶縁層に印加する電界の大きさは、作業物質層の材料により異なるが、１ｋＶ／ｃｍ以上の電界であればよい。上限値は特に限定されないが、実用的には１００ＭＶ／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
なお、絶縁層１４の厚みは約１ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下である。絶縁層１４が薄くなり、トンネル効果が生じても良い。
【００４０】
電極層１５には、金属もしくは半導体特性を有する電極層、または、金属または半導体特性を含む電極層を用いればよい。
【００４１】
作業物質層１３に接する電極層１２は、強磁性特性を有する電極層または強磁性材料を含む電極層であってもよい。この場合、電極層１２からの磁気的相互作用もしくは、電極層１２からの漏洩磁界によって作業物質層１３が（電圧の印加によるキャリア注入によって）強磁性状態となる作用が強くすることができる。
【００４２】
本発明の冷却素子を構成する電極１２・１５層と、作業物質層１３および絶縁層１４の膜厚の一例は上記の通りであるが、作業物質層１３がキャリア誘起磁性を有する機能を維持できる限りにおいて、上記各層の膜厚を適宜設定することができる。
【００４３】
なお、図１において、本発明の冷却素子１００は基板１１上から、作業物質層１３、絶縁層１４、電極層１５が順に積層されているが、逆の積層順でももちろんよい。また、冷却素子１００の作業物質層１３に接して電極層１２が図５のように設けられてもよい。このとき電極層１２は電極層１５との間に電圧を印加するための電極の役目と、冷却対象物と作業物質との熱接点の役割を果たす。
【００４４】
本発明の冷却素子に外部磁界を印加するための発生装置を設けてもよい。特に作業物質層１３へ磁界を印加することで、キャリア注入により強磁性状態をさらに強くする作用あり、冷却を安定して行うことが可能となる。冷却素子に外部磁界を印加するための外部磁界発生装置としては、例えば、図６（ａ）に示すように、同一直線状に２つの磁性層１、磁性層２を冷却素子１００を挟むように配置すればよい。磁性層１および磁性層２からの漏洩磁界により、作業物質層１３には磁界が印加された状態が実現できる。磁性層１、２に用いる材料としては高保磁力特性を有する材料であれば良く、例えばＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢ等を用いることができる。また、ほかの例としては、図６（ｂ）に示すように、冷却素子１００上に、磁界発生電線３を配置することで、磁界発生電線３に電流を流すことで発生する誘導磁場によって、作業物質層１３へ磁界を印加することが可能となる。
【００４５】
本発明の冷却素子を多数用いて図７に例示する冷却素子２００もしくは図８に例示する冷却素子３００を作成することができる。
【００４６】
図７に示す冷却素子体２００は作業物質層２３、絶縁層２４、電極層２５からなる本発明の第１の冷却素子２０１と第２の冷却素子２０２を２つ用いて基板上に構成された素子である。２つの冷却素子２０１・２０２のそれぞれの作業物質層と電極層２５とを同電位とするために、作業物質層２４には電極層２２を、電極層２５には電極層２６を接して設けている。このようにすることで２つの冷却素子２０１・２０２の作業物質層２３へのキャリア注入・引き出しを同期して動作させることが可能となり、冷却素子２０１・２０２を２個並列に配置することで発熱体もしくは冷却対象物の冷却面積を広くすることが可能となる。
【００４７】
なお、図７において電極層２５は必ずしも必要がなく、電極層２６で併用することが可能である。また、図７に示した冷却素子体２００は冷却素子２０１・２０２を２個並列に配置した場合を１例として示したが、同様にして３個以上の本発明の冷却素子を並列に配置して構成してももちろんよい。
【００４８】
図８に本発明の第１の冷却素子３０１と第２の冷却素子３０２の２つの素子を直列に配置して構成した場合の冷却素子体３００を示す。第１の冷却素子３０１は作業物質層３３ａ、絶縁層３４ａ、電極層３５ａから構成されており、第２の冷却素子３０２は作業物質層３３ｂ、絶縁層３４ｂ、電極層３５ｂから構成されており、第２の冷却素子３０２の作業物質層３３ｂは冷却素子３０１の電極層３５と接して設けられている。
【００４９】
第１の冷却素子３０１の冷却動作により、電極層３５ａ側に熱が伝導する。さらに、電極層３５ａに接している第２の冷却素子３０２の冷却動作により冷却素子３０１から放熱された熱は電極層３５ｂ側へ伝導して、放熱される。従って、作業物質３３の絶縁層３４とは反対側が冷却されて、熱を電極層３５ｂ側へ伝達して放熱することが可能となる。このように２つの冷却素子３０１・３０２を直列に配置することで冷却対象物の冷却効率を高めることが可能となる。
【００５０】
なお、図８に示した冷却素子体３００は２つの冷却素子３０１・３０２を直列に接続した構成となっているが、少なくとも２つ以上の冷却素子３０１・３０２を図８のように直列に配置して繰り返した構成としてももちろんよい。
【００５１】
また、少なくとも２個以上の冷却素子３０１・３０２を並列に並べた図７のような冷却素子を図８に示したように直列に配置してももちろん良い。すなわち、それぞれ１層の作業物質層、絶縁層、および電極からなる複数個の冷却素子を、必要に応じて間に電極を挟みながら、縦方向および横方向のいずれにも隣接するようにマトリクス状に配置させて冷却素子体としても良い。
（実施例）
ｐ型ＧａＡｓ（１００）基板上に、０．１５μｍのＧａＡｓをバッファー層として基板温度５８０℃でＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌｅｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｉｃｙ）法で形成した。続いて、作業物質層１３として５００ｎｍの（Ｇａ１−ｘＭｎｘ）Ａｓ（ｘ＝０．０６）磁性半導体膜を基板温度２４０℃においてＭＢＥ法で形成した。その上に、絶縁層１４として１００ｎｍ厚のＢｅＯ膜を、スパッタリング法で形成し、さらにその上に電極層１５としてＴａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）積層膜をスパッタリング法により堆積させて、図１に示す構成図の冷却素子を作成した。
【００５２】
電極層１５への電圧（Ｖ）を印加しない状態（Ｖ＝０）で、作業物質層１３である（ＧａＭｎ）Ａｓ膜のホール抵抗の磁場依存性を測定したところ、図３の（１）に示すような原点を通るヒステリシスのない破線が得られ、この状態では作業物質層１３は常磁性状態であることが分かった。一方、電極層１５に負の電圧（−１０Ｖ）を印加して、作業物質層１３へキャリア注入（ＧａＭｎ）Ａｓのホール抵抗の磁場依存性を測定したところ図３の（２）のような明瞭なヒステリシスを示し、強磁性状態であることが分かった。
【００５３】
なお、電極層１５へ印加する電圧の極性を正としても（Ｖ＝＋１０Ｖとした）Ｖ＝０の状態で測定した場合と同様に原点を通りヒステリシスのない曲線が得られた。従って、電極層１５へ印加する電圧の極性を変化させることで作業物質層１３（（ＧａＭｎ）Ａｓ層）は強磁性―常磁性転移を生ずることが確認できた。次に、電極層１５へ印加する電圧を、図４に示すように、極性をある一定の時間間隔で交互に周期的に切り替えて印加したところ（一方の極性から他方の極性への切り替えは１ｍｓで行い、正電圧および負電圧を印加する時間を１０ｍｓで行った）、図９に示すように時間の経過とともに電極層１５側の温度は徐々に上昇しているのに対して、作業物質１３側の温度は低下した。作業物質層１３である（ＧａＭｎ）Ａｓの熱伝導率は約４５Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であるのに対して、絶縁層１４であるＢｅＯの熱伝導率は約１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であることから、作業物質層１３へのキャリアの注入・引き出しにより強磁性―常磁性転移を繰り返すことにより、作業物質層１３側が冷却され、その熱が電極層１５側へ伝達して放熱されたことを示しており、本発明の冷却素子は有効に動作していることが確認できた。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、強磁性―常磁性転移を誘起させるために、絶縁層１４を介して作業物質１３層内へのキャリアの注入・引き出しを電圧の極性を変化により生じさせることで、作業物質層１３の発熱・吸熱作用が起こる。作業物質層１３が吸収した熱量は絶縁層１４を介して電極層１５側へ伝達することで、対象物を冷却することが可能となる。
【００５５】
これは従来の磁気熱量効果を用いた磁気冷凍装置では数テスラ程度の強磁場が必要であったのに対して、強磁場を必要とせず、電圧制御によって小型の冷却素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の冷却素子の模式断面図
【図２】本発明の冷却素子を用いたキャリア誘起磁性の電圧制御による動作原理を説明する概念図
【図３】本発明の冷却素子を構成する作業物質層のホール抵抗の磁場依存性を示す特性図
【図４】本発明の冷却素子に印加する電圧の極性を変化させた場合の、作業物質層の磁気エントロピーの変化を説明する図
【図５】本発明の一実施例の冷却素子の模式断面図
【図６】本発明の一実施例の冷却素子の模式断面図
【図７】本発明の一実施例の冷却素子の模式断面図
【図８】本発明の一実施例の冷却素子の模式断面図
【図９】本発明の冷却素子を動作させた場合の電極層側と作業物質層側の温度の経時変化を説明する図
【図１０】典型的な磁性体のエントロピーの温度依存性を説明する図
【符号の説明】
１  磁性層
２  磁性層
３  次回発生電線
１００  冷却素子
１１  基板
１２  電極層
１３  作業物質層
１４  絶縁層
１５  電極層
２００  冷却素子体
２０１  冷却素子
２０２  冷却素子
２１  基板
２２  電極層
２３  作業物質
２４  絶縁層
２５  電極層
２６  電極層
３００  冷却素子体
３０１  冷却素子
３０２  冷却素子
３３ａ・３３ｂ  作業物質層
３４ａ・３４ｂ  絶縁層
３５ａ・３５ｂ  電極層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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