セラミックの熱伝導率が電界印加で3倍に、オークリッジ国立研究所らが実証――AIチップの熱対策に新たな光

米国エネルギー省（DOE）のオークリッジ国立研究所（ORNL）などの研究チームは、特殊なセラミック材料に電界を印加することで、その熱伝導率を3倍に高めることに成功した。この成果は、熱密度の極限に挑むAIアクセラレーターなどの冷却設計に、動的な熱制御という新たな選択肢をもたらす可能性がある。本研究は2026年1月に学術誌「PRX Energy」に掲載され、同年7月にScienceDailyが再紹介したことで改めて注目を集めている。

■従来の常識を覆す「300%」の熱伝導率向上

AIアクセラレーターの熱密度問題に取り組むエンジニアたちに、新たなブレイクスルーがもたらされた。オークリッジ国立研究所（ORNL）、オハイオ州立大学、アンフェノール社（Amphenol Corporation）の研究チームによる共同研究により、特定のセラミック材料に外部から電界をかけることで、熱伝導率が約3倍（300%近く）向上することが明らかになった。

この成果は、従来の知見からは予測できないものだった。バルク（塊状）の強誘電体材料を用いた過去の実験では、熱伝導率の向上は5〜10%程度にとどまっていた。今回の測定結果は、外部電界下にあるバルク固体材料において、これまでに記録されたどの数値よりも約30〜60倍も大きい向上幅を示している。

固体材料において、熱伝導率は最も制御が難しい物性の一つである。材料の化学組成を調整することで熱伝導率を設計することは可能だが、その場合は製造時に熱特性が固定されてしまう。今回のORNLチームの実証が画期的なのは、すでに組み込まれた材料の組成を変えることなく、外部電界によって熱特性を動的に調整できる点にある。

■フォノン：原子の振動が熱の行方を決める仕組み

金属とは異なり、セラミックにおける熱の担い手（キャリア）は電子ではなく「フォノン」である。フォノンとは、結晶格子を伝わる原子振動の量子化された集まりであり、移動しながらエネルギーを伝達する。フォノンが熱キャリアとしてどれだけ効率的に機能するかは、「移動速度」と「欠陥や不純物、他のフォノンと衝突して散乱するまでの寿命（生存時間）」の2点に依存する。今回の研究でORNLの研究者たちが変化させたのは、この「フォノン寿命」である。

非弾性中性子散乱実験を設計・主導したORNLのシニア研究員、マイケル・マンリー氏は次のように説明する。「バルク強誘電体材料に関するこれまでの研究では、熱伝導率の向上は5%から10%というわずかなものでした。しかし、今回の新しい測定では300%近い向上が確認されました。これは主に、フォノンが散乱して停止するまでの移動時間が大幅に延びたためです」

研究の対象となったセラミック材料は、「リラクサー系強誘電体」と呼ばれる分類に属する。一般的な強誘電体セラミックでは内部の電荷が一様に分極しているが、リラクサーでは「極性ナノ領域（PNR）」と呼ばれるナノスケールのクラスター内に電荷が存在し、その配向は緩やかにしか揃っていない。このナノスケールのクラスターが散乱体として働き、フォノンの移動を妨げるため、通常の熱伝導率は低く抑えられている。

しかし、外部から強い電界を印加して材料を「ポーリング（分極処理）」すると、電界の方向に沿って反強誘電的な揺らぎが抑制され、内部の電荷が整列する。これにより散乱体が減少するため、フォノンの移動が妨げられにくくなり、フォノン寿命が延びる。その結果、電界の方向に対して熱伝導率が劇的に向上する仕組みだ。

論文の筆頭著者であるORNLの博士研究員、プスパ・ウプレティ氏は「熱の流れる速度と方向の両方を制御できるようになれば、熱エネルギーをはるかに効率的に管理するデバイスの実現につながる可能性があります」と述べている。

■オークリッジ国立研究所の「大強度陽子加速器中性子源（SNS）」が物理現象を可視化

強誘電体の熱伝導率に対する電界効果を調べた過去の研究では、バルクとしての熱伝達量を測定し、原子レベルで何が起きているかを推測するにとどまっていた。これに対しORNLのチームは、DOE科学局の共同利用施設である「大強度陽子加速器中性子源（SNS）」での非弾性中性子散乱技術を用い、原子のダイナミクスを直接観察することに成功した。

中性子は、この種の測定において極めて優れた特性を持つ。主に電子密度を検出するX線とは異なり、中性子は原子核と相互作用するため、結晶内での原子の位置（静的構造）と、それらの原子がどのように動いているか（フォノンダイナミクス）を同時に明らかにできる。この手法は、1994年のノーベル物理学賞（中性子回折技術を開発したクリフォード・シャフル氏と、カナダのチョークリバー研究所で中性子分光法を開発したバートラム・ブロックハウス氏が共同受賞）の基礎となった技術を発展させたものだ。

研究チームはSNSを使用し、電界の印加時と非印加時の両方において、強誘電体結晶中の原子の配列と振動を測定した。その結果、熱伝導率が向上した事実だけでなく、その正確な理由までもが明らかになった。分極方向に進むフォノンが、散乱するまでの生存時間を延ばしていることが確認されたのである。電界によって反強誘電的な揺らぎが抑制される様子がフォノンスペクトル上に直接可視化され、そのメカニズムに関する曖昧さは排除された。

■データが示した「予想外の驚き」

故ジョセフ・ヘレマンス教授の指導のもとで熱伝導率の測定を担当した、オハイオ州立大学の博士課程在籍者であるデララム・ラシャドファ氏は、この結果は本当に予想外だったと振り返る。

「過去の研究から、効果はわずかなものだろうと予想していましたが、3倍もの差が観察されたことは極めて重要な結果でした。ヘレマンス教授は常に、まずはデータを信頼し、理論はその後からついてくるものだと強調されていました」とラシャドファ氏は語る。

熱伝導率実験を設計し、データ分析を通じてラシャドファ氏を指導したヘレマンス教授は、本論文の共同著者として名を連ねているが、論文の出版前に逝去した。なお、研究に使用された結晶はアンフェノール社のラフィ・サフル氏によって育成および分極処理が行われ、中性子散乱実験はORNLのラファエル・P・ヘルマン氏が共同で主導した。

■熱伝導率の可変性がもたらす、設計思想の転換

今回のORNLの成果が持つ意味は、単一のセラミック材料の発見にとどまらない。エレクトロニクスにおける従来の熱管理アプローチは、設計段階でほぼ固定されていた。エンジニアは熱特性に基づいて材料を選定し、冷却構造を設計し、その固定された特性の範囲内で運用するしかなかった。しかし、外部から印加する電圧によって熱伝導率を切り替えたり誘導したりできる材料が登場すれば、状況に応じて動的に対応できる新たな設計変数が手に入ることになる。

具体的には、いくつかの応用領域が考えられる。

第一に「固体冷却」への応用である。機械的なコンプレッサーや可動部なしで熱を移動させるデバイスは、過去60年間にわたりテルル化ビスマスを用いた熱電モジュール（ペルチェ素子）が市場を支配してきた。これらのペルチェ冷却器は精密な温度制御が可能である一方、蒸気圧縮方式に比べて効率が低いという課題があった。セラミックにおける電気的に調整可能な熱伝導率は、次世代の固体熱管理素子、すなわち熱を等方的に拡散させるのではなく、エンジニアが意図した方向に熱を導く「熱スイッチ」としての機能を持つ材料の実現に向けた一歩となる。

第二に「熱電エネルギー変換」への寄与である。熱電デバイスが温度差を電気に変換する効率を決定する無次元性能指数「ZT = S²σT/κ」は、電流の流れと直交する方向の熱伝導率（κ）を低減することで向上する。ORNLの成果は、分極処理によって熱伝導率を方向性を持って制御できることを示しており、化学組成だけでは実現できない新たな自由度をもたらす。

そして第三に、最も差し迫った短期的な応用先が「AIチップのパッケージング」である。AIアクセラレーターを稼働させるデータセンターのラック電力密度は、NvidiaのBlackwellアーキテクチャの導入などにより、2026年時点で平均27キロワット（kW）に達しており、2027年までに次世代のRubinラックでは1ラックあたり600kW近くに達すると予測されている。これほどの熱密度下では、どれだけの熱を逃がすかだけでなく、熱を「どこに流すか」が極めて重要になる。特定の方向には効率よく熱を伝え、他の方向への拡散を抑える異方性熱伝導体は、次世代パッケージング設計における「アクティブな熱誘導装置」として機能する可能性がある。

■今後の課題：研究室の結晶から実用デバイスのコンポーネントへ

今回のORNLの実証は、広い温度範囲にわたる研究室用の単結晶サンプルを用いて行われ、実用化に向けた好材料となった。しかし、これらの結晶を実際のデバイスコンポーネントとして配備するまでには、論文でも認められている通り、解決すべき大きなエンジニアリング上の課題が残されている。

今回研究されたリラクサー強誘電体材料（PMN-PT系：ニオブ酸マグネシウム鉛・チタン酸鉛）は「鉛」を含んでいる。これは、鉛の使用を制限する環境規制があるため、民生用エレクトロニクスへの応用において適合性の問題が生じる。また、強力な電界を必要とする分極処理プロセスは、最終的には実際のデバイス形状や動作電圧と互換性を持たせなければならない。

さらに、この熱伝導率の向上効果が「残留性（電界を取り除いた後も持続するか）」を持つのか、あるいは「継続的な電界印加」が必要なのかという点や、一般的な電子機器の動作温度における向上幅がどの程度になるかといった点についても、未だ公には解明されていない。なお、本研究はDOEの基礎エネルギー科学プログラムの支援を受けて実施された。

■注目ポイントQ&A

●電界をかけることで、なぜセラミックの熱伝導率が3倍になるのですか？

電界によって結晶内のナノスケールの乱れが抑制されるためです。リラクサー強誘電体セラミックの内部には、電荷の向きが揃っていない「極性ナノ領域」と呼ばれるクラスターが存在し、これが熱を運ぶ振動（フォノン）を散乱させて移動距離を縮めています。ここに強い電界を印加して分極処理を行うと、これらのクラスターが部分的に整列して散乱が減少します。その結果、電界方向のフォノン寿命が平均で3倍に延び、熱伝導率が3倍に向上します。

●フォノンとは何ですか？なぜチップの冷却において重要なのですか？

フォノンとは原子振動の量子化された集まりであり、セラミックや半導体の中で熱が原子レベルで移動する実際の仕組みを指します（光における光子のようなものです）。現代のAIチップでは、既存の冷却システムの処理能力を超える速度で熱が発生しており、2026年のラック電力密度は平均27kW、次世代システムでは約600kWに達すると予測されています。固体材料中の熱移動はフォノンが担っているため、フォノンの挙動を制御して速度を上げたり、方向を制御したり、移動距離を延ばしたりする技術は、チップの熱問題の解決に直結します。

●この発見により、電流を制御するトランジスタのように熱の流れを制御する「熱トランジスタ」が実現しますか？

今回の研究はそのような可能性を示唆しています。電気信号で電流を切り替えるトランジスタのように、熱トランジスタは熱の流れを自在に制御します。バルクセラミックの熱伝導率を外部電界で3倍に高め、電界を取り除くと元に戻せることを示したORNLの成果は、その実現に向けた実用的な一歩です。熱スイッチや熱ダイオードなどの熱回路構築を目指す「フォノニクス」の分野では、外部信号に反応するバルク材料が長年求められており、今回のリラクサー強誘電体はその有力な候補となります。

●この材料を実際のデバイスに導入する上での現在の課題は何ですか？

主に3つの課題があります。1つ目は、今回研究された材料（PMN-PT）に鉛が含まれているため、民生用機器への採用には環境規制上の制約がある点です。2つ目は、分極処理に必要な強電界を、実際のデバイス形状や動作電圧と適合させるエンジニアリング上の難しさです。3つ目は、熱伝導率の向上効果が電界除去後も持続するのか、あるいは電圧をかけ続ける必要があるのかが公に確立されていない点です。現在は研究室の単結晶段階であり、製造可能な薄膜や多結晶コンポーネントへの移行にはさらなる開発が必要です。

元記事: ORNL Electric Field Triples Ceramic Heat Flow: Phonon Breakthrough Targets AI Chips