Меню Рубрики

Установка измерения магнитокалорического эффекта

Установка измерения магнитокалорического эффекта

Магнитокалорический эффект (МКЭ) – это изменение температуры магнетика в результате обратимого выделения или поглощения тепла при воздействии магнитного поля на вещество. Данный эффект, проявляющийся в адиабатных условиях, представляет большой интерес в связи с потенциальным применением его в теплотехнических устройствах. Использование этого эффекта позволяет изучать взаимодействия и изменение магнитных структур в магнетиках. Для реализации адиабатических условий необходима адиабатическая оболочка, которая будет изолировать магнетик от тепловых потоков, возникающих со стороны окружающей среды. Создание адиабатического процесса также возможно при быстром включении и выключении магнитного поля, когда теплопередачей можно пренебречь [1].

МКЭ измеряется двумя методами прямым и косвенным. Прямой метод состоит в измерении изменения температуры образца при адиабатическом приложении или снятии внешнего магнитного поля. Косвенные методы позволяют определить значения энтропии при изотермическом намагничивании образца, например, основываясь на анализе семейства изотермических кривых намагничивания. При косвенном методе рассчитывается изменение энтропии из соотношения Максвелла для двух близких по температуре кривых намагничивания:

.

Максимальных значений , а следовательно и величин изменения температуры и энтропии следует ожидать в окрестностях магнитных фазовых переходов. Вблизи температуры перехода термодинамическое описание становится не вполне корректным, так для переходов первого рода в силу необратимости соотношение, может быть справедливо только в случае неравенства, а вычисление значения изменения энтропии с помощью соотношений Максвелла приводит к получению сильно завышенных значений. Примером тому служит эксперимент в котором была вычислена величина изменения энтропии 330 кДж/(кг·К) для сплава на основе марганца, железа и мышьяка, этот результат был пересмотрен в опыте с использованием уравнения Клайперона-Клаузиуса для получения более реалистичного значения 26 кДж/(кг·К). Таким образом прямой метод позволяет получать более правдоподобные значения величины МКЭ.

Хотя МКЭ был открыт более ста лет назад, в настоящее время к нему проявляется значительный интерес. Исследование данного эффекта позволяет получить важную информацию о характеристиках магнитного упорядочения, обменных и магнито-кристаллических взаимодействиях, о трансформации магнитных структур при действии магнитного поля.

Эффект постоянно изучается хотя последние наработки уже позволяют реализовывать магнитотепловые насосы и магнитные охладители. Все чаще ученые приходят к мнению, что компрессионные холодильники уже достигли предела своего развития в плане повышения эффективности. По мнению специалистов, как только будет найден материал, удовлетворяющий техническим (требуется значительный МКЭ в определенном диапазоне температур и материал с долговременной стабильностью) и экономическим (более распространенный, нежели родий или гадолиний) требованиям, через несколько лет магнитные холодильники полностью вытеснят все существующие типы холодильников. На сегодняшний день существует более 56 прототипов, однако пока нет информации о начале широкомасштабного производства таких изделий. Магнитный холодильник выгодно отличается от традиционных своей энергоэффективностью, надежностью, экологичностью и безопасностью для человека. В этих устройствах не используются хлор-фтор-углероды, элементы уничтожающие озоновый слой, а также являющиеся ядовитыми для человека особенно в процессе сгорания. Величина МКЭ и, следовательно, эффективность процесса охлаждения в магнитном холодильнике определяется свойствами магнитных рабочих тел. Были проанализированы многочисленные возможные комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаждения в различных диапазонах температур. Среди исследованных материалов с высокими магнетокалорическими свойствами соединение (сплав железа с родием) обладает наибольшим удельны магнитокалорическим эффектом. Величина удельного МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем в соединениях силицидов-германидов. Этот сплав из-за высокой стоимости родия не подходит для масштабного производства, однако, он может служить своеобразным эталоном, с которым следует сравнивать магнетокалорические свойства исследуемых материалов.

В качестве рабочих тел предлагается использовать редкоземельные магнетики, сплавы Гейслера, арсенид марганца MnAs, и др., обладающие большим МКЭ и изменением магнитной энтропии в удобных для работы таких машин интервалах температур.

Схема магнитной холодильной машины

Однако ни одно из вышеперечисленных соединений не может быть использовано для проектирования бытовых охладителей в связи с необходимостью высоких полей или большого приложенного внешнего давления, что ведет к усложнению конструкции и увеличению размеров и стоимости конечного устройства. Поиск оптимального соединения для построения магнитных холодильников, и совершенствование технологий изучения МКЭ приоритетная задача на будущее.

Кроме магнитных холодильников также стоит упоминания разработка магнитотепловых насосов, так как подавляющее большинство современной климатической техники представляют собой компрессорные устройства. Работа таких устройств базируется на холодильном цикле Карно, который описывает процессы изменения агрегатного состояния хладагента под воздействием давления. На протяжении многих лет этот принцип хорошо зарекомендовал себя с точки зрения надежности. Но он уже не соответствует современным требованиям, как экологии, так и экономики. Поэтому в настоящее время инженеры многих климатических компаний работают над разработкой нового поколения оборудования, которые было бы экологически безопасно для окружающей среды и работало с меньшими энергозатратами.

В настоящее время разрабатываются технологии производства магнитного теплового насоса. Разработчики провели презентацию, во время которой показали, что технология магнитного теплового насоса обладает более высоким коэффициентом эффективности , и в ближайшем будущем может занять место парокомпрессионного цикла, на котором базируется работа нынешних тепловых насосов.

В основе принципа работы магнитного теплового насоса лежит магнетокалорический эффект. Более ярко эффект проявляется у пара- и ферромагнетиков. Попадая во внешнее магнитное поле, эти вещества начинают намагничиваться и вырабатывают тепло. Это достигается за счет переориентации магнитных моментов микрочастиц вдоль силовых линий поля. Когда вещества покидают внешнее магнитное поле, они размагничиваются. Это приводит к тому, что на разупорядочение магнитных моментов тратится кинетическая энергия парамагнетиков и ферромагнетиков, что приводит к снижению температуры.

Подобная технология магнитного охлаждения и обогрева имеет ряд преимуществ по сравнению с классической схемой. В первую очередь, это высокая энергоэффективность. По коэффициенту преобразования электроэнергии в холод подобные магнитные установки уже сегодня превосходят компрессорные образцы. Коэффициент полезного действия лабораторного прототипа такой магнитной холодильной машины составил 60 % , в то время как лучший показатель традиционной установки едва достигает 40 %. К тому же, работа магнитной климатической техники более близка к идеальному тепловому циклу. Перспектива управления теплообменными процессами с помощью магнитного поля является также важным направлением и в теплофизике кипения магнитных жидкостей [2–5].

Что касается экологичности, то и здесь « новинка» обещает быть успешной по причине замены в ней хладагентов, которые негативно влияют на озоновый слой нашей планеты, обычной водой. Обеспечение плавной работы и отсутствие вибраций, свойственных компрессорным устройствам, является плюсом в пользу магнитных устройств.

источник

Физики исследовали материал с рекордной величиной магнитокалорического эффекта

Ученые из России, Великобритании и Японии провели исследование, показавшее, что малейшие структурные нарушения в материале могут привести к существенному изменению величины магнитокалорического эффекта в сплавах «железо-родий». Статья с результатами исследования опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Магнитокалорический эффект (МКЭ) проявляется в охлаждении или нагревании материала, обладающего магнитными свойствами, при изменении внешнего магнитного поля. Измерение МКЭ применяется как один из методов исследования магнитных фазовых переходов в различных материалах. Кроме того, магнитокалорические материалы успешно используются для получения сверхнизких температур, а также имеют хорошие перспективы в производстве тепловых машин, холодильных установок.

В новом исследовании физики выяснили, что малейшие нарушения кристаллической структуры сплавов оказывают существенное влияние на проявление МКЭ. Объектом послужил сплав железа и родия. Идеальной кристаллической структурой для получения максимальных значений МКЭ в нем считается объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка, элементарная ячейка которой представляет собой набор атомов железа, расположенных на вершинах куба и атомы родия в его центре.

Такая структура в «железо-родиевых» сплавах образуется только в случае состава с примерно равным содержанием атомов железа и родия. Чтобы обеспечить образцам такую структуру ОЦК, их подвергали 48-часовому отжигу в печи при температуре 1000 градусов Цельсия. Тем не менее, проведенные измерения и используемая теоретическая модель показали, что в ОЦК структуре исследованного сплава присутствовали дефекты, в виде замещения некоторых атомов (примерно 2%) железа атомами родия и наоборот.

В результате работы ученые показали, что даже такие незначительные отхождения от идеальной структуры ОЦК существенно меняют поведение магнитокалорического эффекта: примерно в два раза снижается величина изменения температуры образца и смещается температура фазового перехода. Учеными также был обнаружен эффект «невозвращения» конечной температуры сплава к начальной после полного цикла изменения внешнего магнитного поля.

По мнению одного из авторов исследования Радэля Гимаева, проведенная исследователями работа поможет повысить эффективность практических разработок с использованием магнитокалорического эффекта — это касается и необходимости доведения материалов до структурного идеала, и учета обнаруженного ими эффекта невозвращения. Также подобные исследования выявляют ранее неизвестные особенности фазового перехода первого рода в данном семействе сплавов и тем самым углубляют понимание причин гигантского МКЭ.

Читайте также:  Установка круиз контроль для орландо
[Публикация подготовлена Центром популяризации научных знаний МГУ им. М.В. Ломоносова]

источник

Вращающийся магнитокалорический эффект и необычные магнитные особенности в металлическом сильно анизотропном геометрически расстроенном tmb 4 | научные доклады — Научные доклады — 2020

Предметы

Аннотация

Мы исследовали вращающийся магнитокалорический эффект (R-MCE) TmB 4 — анизотропной магнитной системы с геометрическими фрустрациями типа Шастри-Сазерленда. R-MCE был получен из детальных температурных зависимостей теплоемкости в различных магнитных полях монокристаллического образца для ориентаций кристаллических осей c || B и C ⊥ B. Полученные результаты демонстрируют довольно сложные распределения положительной и отрицательной энтропии ΔS (T, B) и разности температур ΔT (T, B) ниже и выше T N, когда направление магнитного поля изменяется между направлениями c || B и C ⊥ B. Результаты расчетов были подтверждены прямыми измерениями R-MCE, которые, кроме того, показывают интересную угловую зависимость R-MCE в упорядоченной фазе, которая, по-видимому, связана с изменением эффективного магнитного поля вдоль оси c при вращении образца. Таким образом, наше исследование представляет новый тип магнитного хладагента с довольно большим R-MCE для низкотемпературного магнитного охлаждения и указывает на дальнейшие интересные магнитные особенности в упорядоченной фазе этой расстроенной системы.

Вступление

Магнитокалорический эффект (MCE) представляет собой магнитно-термодинамическое явление, при котором изменение температуры в магнитном материале вызвано изменением внешнего магнитного поля 1, 2, 3, 4, 5 . Также было показано, что геометрические спиновые фрустрации могут значительно усиливать изменение магнитной энтропии в приложенном магнитном поле и, таким образом, усиливать MCE 6, 7 . На основе MCE магнитное охлаждение привлекло значительное внимание как альтернативный способ охлаждения, прежде всего благодаря своей энергоэффективности и экологически чистому способу по сравнению с обычным охлаждением с газовым сжатием и расширением. Чтобы улучшить возможности применения магнитного охлаждения, недавно был предложен и исследован новый вращающийся магнитокалорический эффект (R-MCE) 1, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 . В этом случае MCE можно получить, просто вращая магнитный хладагент в постоянном поле, а не перемещая его внутрь и наружу от магнита. Это вращательное магнитное охлаждение можно использовать в случае сильно анизотропных магнитных материалов, и оно, по-видимому, дает преимущества по сравнению с его обычным аналогом, так как с технической точки зрения оно выглядит более простым и компактным.

В нашем вкладе мы представляем результаты исследований R-MCE, проведенных на тетрабориде тулия (TmB 4 ), анизотропной геометрически расстроенной магнитной системе. TmB 4 относится к группе редкоземельных тетраборидов (REB 4 ), которые кристаллизуются в тетрагональной решетке 15, 16 . Поскольку один из трех валентных электронов ионов RE 3+ направляется в зону проводимости, эти тетрабориды являются хорошими металлами, и обменное взаимодействие RKKY между магнитными ионами играет важную роль. В случае TmB 4 магнитные ионы Tm 3+ имеют конфигурацию 4f 12 с угловым моментом J = 6. В упомянутой тетрагональной решетке ионы Tm лежат в слоях, перпендикулярных оси c, и могут находиться в этой плоскости ( ab ) отображается на расстроенную решетку Шастри-Сазерленда, которую можно рассматривать с точки зрения квадратов и равносторонних треугольников 17, 18, 19, 20, 21 . Между этими листами Tm имеются плоскости атомов бора, сгруппированные в пары октаэдров B 6 и димеров. Эффекты кристаллического поля в местах Tm 3+ снимают вырождение мультиплета J = 6. Следовательно, основное состояние представляет собой дублет M J = ± 6, который индуцирует сильную изинговоподобную магнитную анизотропию с магнитными моментами ионов Tm, ориентированными вдоль оси С ниже его неелевой температуры T N = 11, 7 К. В упорядоченном антиферромагнитном состоянии намагниченность M для магнитных полей B || с достигает насыщения M S примерно при 4 Тл, что сопровождается плато намагничивания при 1/2 М с и 1/8 М с . С другой стороны, для полей B ⊥ c насыщение M достигается только при полях выше 30 T. Из этого следует, что в магнитных полях примерно до 4 T намагниченность вдоль c- оси значительно выше, чем в перпендикулярное направление, которое выгодно для появления R-MCE. Дополнительные сведения о магнитной структуре и других свойствах TmB 4 и связанных с ним магнитных тетраборидов 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 , а также о современных теоретических подходах можно найти в других источниках 29, 30, 31, 32, 33

Таким образом, TmB 4 представляется интересной анизотропной фрустрированной магнитной системой, которая буквально приглашает исследовать ее магнитокалорические свойства, особенно в версии с вращением.

Для исследования R-MCE обычно измеряются зависимости поля намагниченности M ( B, T ) при различных температурах T для двух перпендикулярных ориентаций (например, для c || B и c ⊥ B ), на основе которых разница энтропии ΔS ( T, B ), связанный с этими двумя ориентациями, рассчитывается (см., Например, ссылка 9 ). Согласно ΔS соответствующее адиабатическое изменение температуры ΔT ( T, B ), которое обозначает разность температур между состоянием с меньшей энтропией (в случае TmB 4 для B || c ) и этим с более высокой энтропией (для TmB 4 при B ⊥ в ) можно оценить. Однако в этом методе обычно используется постоянная теплоемкость исследуемого материала, что часто может привести к значительным ошибкам в оценке ΔT . Таким образом, в нашем случае исследование R-MCE TmB 4 было основано на подробных измерениях теплоемкости C ( T, B ) в широком диапазоне T и B (для направлений B || c и B ⊥ c ), из которых определяется энтропия. Разность ΔS и температура ΔT были рассчитаны с использованием метода, описанного в работе. 34 Полученные результаты были проверены экспериментально с помощью прямых измерений ΔT exp ( T, B ), проанализированы и интерпретированы с помощью дополнительных измерений угловой намагниченности.

Материалы и методы

Монокристаллы TmB 4 были выращены методом индукционной зоны плавления без тиглей. Коэффициент остаточного удельного сопротивления исследованных образцов был больше 100, что подтверждает их высокое качество. Для экспериментов по теплоемкости был вырезан ориентированный образец с приблизительными размерами 1 × 1 × 0, 5 мм 3 . Этот же образец или его часть использовался и для других измерений, выполненных в рамках этой работы. Измерения C ( T, B ) в интервале температур 2–60 K и в магнитном поле до 4, 8 T были выполнены с использованием коммерческой системы PPMS Quantum Design со встроенным методом релаксации. Для каждой экспериментальной точки были зафиксированы температура и магнитное поле. Из результатов C ( T, B ) были определены изменения энтропии ΔS и температуры ΔT . Для непосредственного измерения T exp ( T, B ) (и его угловой зависимости) был создан специальный самодельный вращающийся калориметр (более подробное описание калориметра можно найти в разделе «Вращающийся магнитокалорический эффект TmB 4 »). Из-за высокой магнитной анизотропии TmB 4 и из-за этого (особенно в сильных магнитных полях) большой крутящий момент τ = M × B , где M обозначает намагниченность, образец (относительно большой mg 10 мг, чтобы получить высокий ΔT сигнал) был прикреплен к калориметру с помощью большого количества клея (GE Varnish). Достаточно прочный (6 × 6 × 0, 3 мм 3 ) сапфировый калориметр, оснащенный термометром из оксида рутения, был прикреплен к платформе, стабилизированной по температуре, четырьмя лесками ( ϕ ≈ 0, 1 мм). Соответствующие измерения были выполнены в системе измерения физических свойств Quantum Design (PPMS), оснащенной опцией вращения. Измерения пустого (без образца) калориметра с клеем показали, что его общая теплоемкость ниже 20 К примерно в 10 раз больше, чем у исследуемого образца, что привело к тому, что экспериментально наблюдаемые значения ΔT exp оказываются значительно меньшими, чем рассчитанные (и ожидаемые) из вышеупомянутых измерений теплоемкости. Соответствующая угловая зависимость намагниченности при различных температурах и магнитных полях была определена с помощью горизонтального вращателя образца (M101C) Системы измерения магнитных свойств (MPMS) Quantum Design, который позволял вращать образец TmB 4 относительно ориентации магнитного поля.

Анизотропия TmB 4 выше T N

Для изучения R-MCE TmB 4 необходимо знать анизотропию его магнитных свойств в парамагнитном состоянии выше T N. На рис. 1, а представлены угловые зависимости намагниченности M ( φ ) при различных температурах. Как можно видеть, эти зависимости являются гармоническими / синусоидальными с максимумами при φ = 0 ° (когда c || B ) и минимумами при φ = 90 ° (когда c ⊥ B , фактически c ⊥ B в нашем случае всегда соответствует ( 110) направление). При T = 13, 5 K и B = 4, 6 T соотношение между максимальным M max ( c || B ) и минимальным M min ( c ⊥ B ) имеет значение M max / M min ≈ 50! Это очень высокое значение подтверждает, что TmB 4 сильно анизотропен также в парамагнитной фазе, прежде всего близко к T N , и что этот материал должен подходить для его использования во вращающейся магнитной калориметрии. С другой стороны, высокая анизотропия также показывает, что в TmB 4 (по крайней мере, близко к T N ) магнитные моменты ионов Tm фактически ориентированы исключительно параллельно оси c . Таким образом, можно предположить, что вращение образца в магнитном поле (которое эквивалентно вращению поля относительно образца) вызывает только изменение амплитуды поля вдоль направления c (см. Рис. 1, b ). В таком случае поле вдоль направления c — это B c-eff = B .cos φ , где φ — угол между приложенным полем B и осью c во время вращения. Таким образом, наибольшая намагниченность в этой анизотропной системе наблюдается при B || с ( φ = 0 °) и самый низкий, когда B ⊥ c ( φ = 90 °). С увеличением температуры отношение M max / M min постепенно уменьшается (см. Рис. 1, а), что указывает на то, что R-MCE наиболее выражен в области температур, не слишком высокой над T N.

Читайте также:  Установка лингвальных брекетов инкогнито

( а ) Угловая зависимость намагниченности M ( φ ) при различных температурах выше T N в области 4, 6 Тл. Анизотропия M ( φ ) демонстрирует гармоническое / синусоидальное поведение, и ее величина уменьшается с ростом температуры. ( б ) Вращение образца по отношению к полю.

Изображение в полном размере

Вращающийся магнитокалорический эффект TmB 4

Получены результаты температурных зависимостей теплоемкости в различных магнитных полях C ( T, B ) для ориентации поля B || c и B ⊥ c (для обеих ориентаций использовался один и тот же образец) показаны на рис. 2. В этом случае зависимости C ( T, B ) измерялись, начиная с самой высокой температуры в направлении самой низкой, затем образец нагревался быстро вернуться к самой высокой температуре, а затем поле было изменено (увеличено). Тогда как для B ⊥ c зависимости C ( T, B ) в полях до 4, 8 Т (в пределах погрешности измерения) практически идентичны, для B || c Наблюдались выраженные изменения, зависящие от поля (см. рис. 2), что соответствует измерениям намагниченности этого соединения (см., например, ссылки 17, 18 ). Соответствующие BT- фазовые диаграммы, полученные из зависимостей C ( T, B ), которые согласуются с теми, которые основаны на измерениях намагниченности 17 , 18 , показаны в виде вставок на фиг. 2 (более высокие значения « B » фазовых границ на фазовых диаграммах связано с тем, что в этом случае коэффициент размагничивания использованного образца не учитывался, причина связана с дальнейшими экспериментами, в которых образец вращался). Причина, по которой измерения C ( T, B ) были выполнены только до 4, 8 Тл, была связана с тем, что выше этого значения крутящий момент, действующий на образец (зафиксированный на калориметре), уже начал вращать его (или отрывать от него). калориметр).

Температурные зависимости теплоемкости C ( T, B ) TmB 4 в различных магнитных полях для ориентации поля B || с ( а ) и B ⊥ с ( б ). Видно, что в полях до 4.8 T результаты C ( T ) для B ⊥ c практически перекрываются. На вставках показаны соответствующие фазовые диаграммы BT, которые согласуются с данными, полученными из измерений намагниченности 17, 18 (для случая B ⊥ c, обозначенного сплошными линиями).

Изображение в полном размере

На основании этих зависимостей C ( T, B ) соответствующие энтропийные зависимости S ( T, B ) для обоих направлений ( B || c и B ⊥ c ) были вычислены с использованием соотношения (1):

Для выполнения этих расчетов при T = 0 использовалась линейная экстраполяция теплоемкости в направлении нулевой температуры, и энтропия при T = 0 была для всех полей и ориентаций образца, установленных на ноль. Но также было показано, что если линейная экстраполяция зависимостей C ( T, B ) ниже 2 K была заменена реалистичным вкладом Шоттки, исходящим от ядер тулия, который был детально исследован до 20 мК, исследованных в работе [3]. 35 , полученные различия S ( T , B ) при T > 3 K не имеют значения. Рассчитанные распределения энтропии показаны на рис. 3. Обратите внимание, что даже если расчет энтропии (см. Уравнение 1) сглаживает аномалии теплоемкости, расположение энтропии для B || с достаточно хорошо отображает фазовую диаграмму BT TmB 4 для этого направления.

Распределение энтропии для B || c ( a ) и B ⊥ c ( b ), рассчитанные по температурным зависимостям теплоемкости C ( T, B ). Отметим, что контуры распределения энтропии для B || c хорошо отображают фазовую диаграмму BT TmB 4 . Синие и красные стрелки в ( а ) показывают изменения температуры ΔT (охлаждение и нагрев), связанные с изэнтропическим ходом энтропии S c при вращении образца в упорядоченной фазе (это явление более подробно обсуждается в части «Специальные магнитные свойства TmB 4 ниже T N ”).

Изображение в полном размере

Разница между энтропиями ΔS для B || c, а для B ⊥ c показано на рис. 4a. Он имеет «нагревательный» холм в упорядоченной фазе с вершиной около 9 К и широкую «охлаждающую» депрессию в парамагнитной фазе около 15 К, которая углубляется с увеличением магнитного поля. На основе полученных распределений S ( T, B ) для B || c, а для B ⊥ c (рис. 3) соответствующее изменение температуры ΔT между направлениями B || c и B ⊥ c могут быть определены. Мы хотели бы отметить, что в случае, когда S- распределения рассчитываются по данным намагничивания, соответствующий ΔT обычно оценивается с использованием постоянной (средней) величины теплоемкости C ( T, B ), которая может привести к значительным ошибкам, если теплоемкость в конкретный регион заметно меняется (см. рис. 2). Этих ошибок можно избежать, если расчеты энтропии основаны на измерениях теплоемкости. В этом случае изэнтропическая разность температур ΔT ( T, B ) для каждой ( T , B ) точки может быть рассчитана с использованием соотношения (2):

где T B ⊥ c ( B , S ) и T B || c ( B , S ) — температуры в определенной точке ( B, S ) (на основе рис. 3), которая имеет одинаковые значения B и S как для B ⊥ c, так и для B || c ориентации (например, в начальной точке для B || c , B = 4, 5 T и T B || c = 15 K энтропия S = 3, 58 ДжК -1 моль -1 , после адиабатического вращения в том же поле до B ⊥ c конечная температура равна T B ⊥ c = 11, 5 K, т. е. T ≈ −3, 5 K). Результирующая зависимость ΔT ( T, B ) показана на рис. 4б. Даже если зависимость ΔT ( T, B ) аналогична зависимости ΔS , из-за отмеченного распределения C ( T, B ) схема ΔT отличается. Он имеет большую область охлаждения выше T N (около 20 K и в полях выше 2 T), в которой температура TmB 4 при одном и том же вращении уменьшается более чем на 9 K (эта процедура охлаждения аналогична обычному процессу размагничивания в парамагнитная область). Но есть также положительная (разогревающая) область ниже T N (около 5 K при 1, 8 T и 4, 2 T), где температура увеличивается более чем на 2, 5 K, когда образец поворачивается из B || c до B ⊥ c и который связан с нагревом при магнитном обращении в упорядоченном состоянии. Таким образом, эти результаты демонстрируют интересное и довольно своеобразное распределение R-MCE в этой сильно анизотропной фрустрированной металлической системе. Более того, наши результаты показывают, что оценки магнитокалорического эффекта на основе данных намагниченности (и обычно среднего значения теплоемкости) могут привести к неточностям в определении ΔT, особенно при температуре упорядочения, где возникают аномалии теплоемкости. Однако это не относится к основной области охлаждения MCE выше T N.

Распределение энтропийной разности ΔS ( T, B ), возникающей при вращении TmB 4 из B || c до B ⊥ c в полях до 4.6 T ( a ) и компоновке соответствующей разности температур ΔT ( T, B ), определенной из распределений S ( T, B ) на рис. 3 с использованием уравнения. (2) ( б ).

Изображение в полном размере

Соответствующая емкость хладагента ( RC ) была оценена в соответствии с 9, 34 с использованием выражения:

где T 1 и T 2 — температуры, соответствующие сторонам полу-максимума | ΔS | пиковое значение. Для TmB 4 мощность «нагревающего» хладагента для положительных пиков ΔS при B = 1, 8 Т и 4, 2 Т составляет RC ≈ 37, 20 Дж / кг и 32, 02 Дж / кг соответственно. С другой стороны, «охлаждающая» емкость хладагента для отрицательной депрессии ΔS при B = 4, 6 Тл составляет RC ≈ 87, 51 Дж / кг, что сопоставимо со значениями других материалов R-MCE (см., Например, ссылка 9 ).

Чтобы проверить наши прогнозы, основанные на измерениях C ( T, B ), мы выполнили прямые измерения R-MCE, используя вращающийся калориметр. Распределение экспериментально полученной разности температур ΔT exp ( T, B ) показано на рис. 5 ( ΔT exp ( T, B ) представляет изменение температуры системы «образец плюс калориметр»). Это распределение аналогично распределению ΔT ( T, B ) на рис. 4б (определено из измерений теплоемкости). Различия между абсолютными значениями T exp ( T, B ) и T ( T, B ) связаны с довольно большой теплоемкостью вращающегося калориметра, используемого для определения T exp ( T, B ) (как указано в разделе Материалы и По методике теплоемкость калориметра была примерно в 10 раз больше, чем у использованного образца). С другой стороны, разница между схемами ΔT exp ( T, B ) и ΔT ( T, B ) (например, минимум охлаждения ΔT exp ( T, B ) наблюдается при более низких температурах, чем при ΔT ( T, B ) ), скорее всего, связано с тем, что резкие изменения C ( T , B ) вблизи T N (рис. 2), которые определяют значения T ( T, B ), относятся к случаю оценки T exp ( T, B ) ( из-за довольно большой теплоемкости поворотного калориметра) значительно снижается.

Читайте также:  Установка и снятие автомагнитолы pioneer

Распределение экспериментально полученного R-MCE, изображенного как разность температур ΔT exp ( T, B ), при старте при значениях T и B монокристалл TmB 4 вращается из B || с до B ⊥ с ( а ). Разница между этим распределением и распределением, показанным на рис. 4, в основном, связана с большой теплоемкостью вращающегося калориметра, который использовался для определения ΔT exp ( T, B ). ( б ) — вращающийся калориметр: 1 — образец, 2 — сапфировый калориметр, 3 — термометр, 4 — опора Vespel, 5 — шайба PPMS, 6 — силоновый трос, 7 — бронзовый провод.

Изображение в полном размере

Результаты детальной угловой зависимости прямых исследований R-MCE (т.е. измерения ΔT exp ( φ, T, B )) с использованием самодельного калориметра, который позволил плавно вращать образец TmB 4 между c || B и c ⊥ B , для различных магнитных полей, показанных на рис. 6. Выше T N (например, при 13, 5 К) такое вращение приводит (как и ожидалось) к непрерывному охлаждению, которое усиливается с увеличением поля. Однако угловая зависимость R-MCE ниже T N (например, при 5 K) демонстрирует довольно сложное поведение, особенно в более сильных магнитных полях. Как можно видеть, с увеличением φ процесс нагрева (из-за магнитного обращения) не является монотонным, и, за исключением ожидаемого пика при φ = 90 ° (когда образец вращался от B || c до B ⊥ c ), он демонстрирует аномалия также около φ ≈ 60 °. Причина этого наблюдения обсуждается в следующем разделе.

Схема экспериментально определенной угловой зависимости R-MCE при 13, 5 K ( a ) и 5 ​​K ( b ) показана в полярных координатах как разность температур ΔT exp ( φ, B ) калориметра (включая образец) во время вращения между с || B ( φ = 0 ° или 180 °) и c ⊥ B ( φ = 90 ° или 270 °) в магнитных полях B.

Изображение в полном размере

Особенности магнитных свойств TmB 4 ниже T N

Для более детального исследования наблюдаемой аномалии нагрева R-MCE (при φ ≈ 60 °) в упорядоченном состоянии были проведены измерения угловой намагниченности при температурах ниже T N и в различных магнитных полях. В этих условиях M ( φ ) больше не проявляет синусоидальную зависимость при повороте образца от φ = 0 ° ( c || B ) до φ = 90 ° ( c ⊥ B ), но довольно сложный ход (см. Рис. 7а), который зависит как от магнитного поля, так и от температуры. Тем не менее и в этом случае угловая зависимость показывает их максимумы при φ = 0 ° и минимумы при φ = 90 °. При T = 2 K и B = 4.6 T соотношение между максимумом намагничивания M c и минимумом M a имеет значение M max / M min ≈ 40. Это значение подтверждает очень высокую анизотропию TmB 4 в упорядоченной фазе 17 . Благодаря этому (как в парамагнитной фазе) также и в упорядоченной фазе можно ожидать, что в TmB 4 магнитные моменты в полях до 5 Тл ориентированы исключительно параллельно оси c. Следовательно, по аналогии (как в парамагнитной фазе) можно предположить, что вращение образца в магнитном поле проявляется как изменение поля B c-eff = B .cos φ вдоль направления c — (см. Рис. 1б), Таким образом, например, при 5 К и в магнитном поле 5 Тл, во время вращения от φ = 0 ° до φ = 90 ° магнитное поле постепенно проходит через все упорядоченные магнитные фазы TmB 4, полуплоскостную (ферримагнитную) фазу, фаза дробного плато и фаза Нееля (подробную информацию о магнитных фазах TmB 4 можно найти, например, в ссылках 19, 24 ). С другой стороны, принимая во внимание наблюдаемую очень большую анизотропию в упорядоченной фазе, кажется удивительным, что на магнитных доменных стенках могут возникать сложные структуры, как это было предложено в [6]. 24

Угловая зависимость (анизотропия) намагниченности M ( φ ) ниже T N в области 4, 6 Тл и при различных температурах ( а ). ( б ) Полевые зависимости намагниченности при различных углах φ .

Изображение в полном размере

Принимая во внимание высказанное выше предположение, что при вращении эффективное поле B c-eff вдоль оси c изменяется, экспериментально наблюдаемые угловые зависимости R-MCE в упорядоченной фазе (рис. 6б) могут быть связаны с изоэнтропическим ходом энтропии S в (рис. 3а, см. курс, обозначенный стрелками). Начиная, например, с S c при T = 5 K, B = 4, 6 T и уменьшая B c-eff по линии S c = const., Можно увидеть два повторяющихся охлаждения (синие стрелки) и два интервала нагрева (красные стрелки), которые согласуется с поведением ΔT exp ( φ, B ) на рис. 6б (если один при 4, 6 Т изменяет φ с 0 ° до 90 °). То же самое относится к T = 5 K, B = 3 T, где можно наблюдать один интервал охлаждения и один интервал нагрева и т. Д. Но, с другой стороны, этот метод оценки ΔT на рис. 3a не может быть непосредственно применен и при более высоких температурах Например, выше T N. Причина в том, что изменения ΔT exp ( φ, B ) на рис. 6 , b являются изменениями в системе «образец плюс калориметр», тогда как на рис. 3, а показаны распределения энтропии (и связанные изменения ΔT ) только образца. И, поскольку теплоемкость диэлектрического калориметра зависит от температуры как ∼ T 3 , можно ожидать, что выводы и сравнения, основанные на рисунках 3a и 6b, будут расходиться с увеличением T.

Однако необходимо учитывать, что при вращении образца и соответствующем изменении поля B c-eff также может изменяться сама магнитная структура в соответствующих магнитных фазах. Таким образом, например, в фазе полуплато (ферримагнитная) с уменьшением B c-eff не все магнитные моменты будут оставаться ориентированными в направлении поля, но часть из них начнет переворачиваться и указывать в противоположном направлении. И это относится, вероятно, также к фазе дробного плато. Этот факт отражен, например, в полевых зависимостях намагничивания при различных углах φ (рис. 7б). Там можно видеть, что с увеличением угла φ не только фаза дробного плато и фазы полуплато смещаются (как и ожидалось) к более высокому B (так как поле вдоль c — направления изменяется как B c-eff = B .cos φ , более высокие поля необходимы для достижения плато), но также уменьшаются значения величин намагниченности в областях плато (в результате увеличения переворота спина в противоположном направлении). Эти результаты указывают на дальнейшие интересные магнитные особенности в упорядоченной фазе этой анизотропной фрустрированной системы, и будет интересно исследовать, например, как фазовая диаграмма и плато изменятся в зависимости от угла φ .

Выводы

Мы показали, что TmB 4 проявляет очень сильную магнитную анизотропию как в упорядоченной, так и в неупорядоченной / парамагнитной фазе. На основании этого факта и детальных температурных зависимостей теплоемкости в различных магнитных полях C ( T, B ) для ориентаций кристаллических осей c || B и c ⊥ B мы определили R-MCE TmB 4 — магнитную систему с геометрическим расстройством типа Шастри-Сазерленда. Полученные результаты R-MCE демонстрируют значительный охлаждающий эффект выше T N и довольно сложные ΔT распределения охлаждения и нагрева ниже T N. Эти результаты были подтверждены экспериментально прямыми измерениями T exp, которые дополнительно показали интересную угловую зависимость R-MCE в упорядоченной фазе. Как показали измерения намагниченности, зависящие от угла чуть выше и ниже T N , магнитные моменты в TmB 4 ориентированы только параллельно оси c . Поэтому можно предположить, что вращение образца в магнитном поле проявляется как изменение амплитуды поля вдоль c — направления. Отсюда следует, что экспериментально наблюдаемые угловые зависимости R-MCE в упорядоченной фазе можно объяснить переходами через разные магнитные фазы при вращении образца. Таким образом, наше исследование показывает TmB 4 как интересную анизотропную систему с геометрическим фрустрацией, которая подходит для R-MCE при низких температурах. Более того, результаты в упорядоченной фазе указывают на дальнейшие интересные вопросы, связанные, например, с угловой зависимостью ее магнитных свойств.

$config[ads_text16] not found

Подтверждения

Работа выполнена при поддержке проектов VEGA 2-0032-16, APVV-17-0020 и DAAD — SVK. Жидкий азот для экспериментов был спонсирован US Steel Kosice.

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Принципы сообщества. Если вы обнаружили что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неуместное.

источник