磁石を近づけるだけで冷えていく「磁気冷却」の仕組み
「悩める磁石たち」が磁場によって本当に冷えるのか？
この謎を解明するため、研究者たちはまず「悩める磁石」の結晶、アタカマイトのサンプルと「超巨大磁石」を用意しました持ち込みました。
場所はドイツ・ドレスデンにあるヘルムホルツ強磁場研究施設。
ここでは最大58テスラという、とてつもない磁場を発生させられます。
58テスラというのは、病院のMRI（約3テスラ）の20倍近くも強く、地球の磁場の100万倍以上という強烈な強さです。
ちょっと想像しにくいですが、いわば「超巨大な磁石」を使って、小さな結晶にどんな変化が起きるのかを観察したのです。
実験では、この強力な磁場をアタカマイトの結晶の「c軸」と呼ばれる特定の方向（結晶軸）に沿ってかけ、その間に「温度がどう変わるか」「内部の磁石がどこまで揃うか」を同時に測定しました。
温度の変化は熱容量を調べれば分かりますし、磁石の揃い具合は核磁気共鳴（NMR）という“超精密聴診器”のような装置で確かめられます。
するとおもしろいことが起こりました。
磁場を徐々に強めていくと、約20.3テスラを超えたあたりから結晶の中で秩序だった磁石の並びが崩れはじめ、21.9テスラあたりで完全にバラバラになってしまったのです。
普通の磁石なら、磁場を強めれば強めるほど整然と並ぶはずなのに、アタカマイトでは逆に“お行儀崩壊”が起きたわけです。
まさに、物理の常識を裏切るような現象でした。
さらに驚くことに、この秩序が壊れる瞬間にアタカマイトの温度が劇的に下がるという現象も観察されました。
磁場をかけただけで、まるで冷蔵庫のスイッチが入ったかのように、結晶が自ら冷えてしまったというわけです。
これは「磁気冷却効果（磁気カルオリック効果）」という現象で、実は最近、省エネ型の新しい冷却技術として注目されている仕組みです。
しかし、アタカマイトで見られたような強力な磁気冷却効果は、これまでほとんど観測されたことがありませんでした。
この不思議な現象のメカニズムを明らかにするため、研究チームは数値シミュレーションという方法を使って結晶の内部で何が起きているかを詳しく解析しました。
すると、この現象のカギを握るのはアタカマイトに存在する二種類の銅イオンであることが分かりました。
結晶の中で銅イオンは「のこぎりの刃」のような形で並んでいますが、その「刃先」にある銅イオンが、磁場によってすばやく揃ってしまうことが分かりました。
この磁石の揃い方は、普通なら秩序を生み出しそうなものですが、アタカマイトの場合、これが逆に裏目に出てしまいます。
「刃先」の銅イオンが磁場方向に揃うと、それまで弱く繋がっていたチェーン間の「磁石の絆」が断ち切られ、結晶内部の磁石たちが互いに連携できなくなり、三次元的な秩序が一気に崩壊します。
専門的にはこの現象を「次元還元」と呼びます。
つまり、磁場をかけたことによって、アタカマイトの磁石たちは三次元の連携が壊れてバラバラになり、一気に次元が下がった（1次元の鎖状になった）状態になったというわけです。
さらに不思議なのは、この秩序の崩壊に伴い、本来ならば乱雑さ（エントロピー）が増えるはずなのに、アタカマイトの場合は逆にエントロピーが急激に減少したことです。
これは磁石（スピン）の揺れ動く自由が磁場によって制限され、磁石たちが静かな状態になってしまったためです。
スピン系のエントロピーが減少すると、その分を補うために結晶の磁石部分（スピン系）が結晶の原子振動（格子系）の熱エネルギーを取り込み、結果として格子の温度が下がります。
つまり、磁場をかけることで磁石たちの自由を奪った結果、アタカマイト自身が自発的に冷却してしまった、という驚きの仕組みだったのです。
こうして研究者たちは、磁場によって磁石の秩序が破壊されるという予想外の現象を発見しましたが、次なる疑問は「なぜアタカマイトでは普通とは逆の現象が起きたのか？」ということです。
