Ученые МГУ обнаружили рекордный магнитокалорический эффект

Сотрудники кафедры магнетизма физического факультета МГУ обнаружили рекордный магнитокалорический эффект в сплаве FeRh, легированном атомами Ru, а также предложили гипотезу, объясняющую увеличение эффекта. Сплавы с магнитокалорическим эффектом могут использоваться для создания твердотельных холодильников и нового поколения жестких дисков. Работа опубликована в журнале Q1 Metallurgical and Materials Transactions A.

При фазовом магнитном переходе первого рода твердое тело переходит из одного состояния в другое, при этом меняется как кристаллическая структура, так и другие физические свойства. Например, скачкообразное изменение структурных свойств приводит к наблюдению эффекта гигантской магнитострикции. Данный сплав также меняет свое магнитное состояние в процессе фазового перехода, в результате скачком увеличивается его намагниченность. Из-за тесной взаимосвязи между структурными, магнитными и калорическими свойствами происходит изменение последних: если включить магнитное поле и индуцировать фазовый переход, то температура образца в процессе будет изменяться — наблюдается магнитокалорический эффект.

В опубликованной работе авторы продемонстрировали, что синтез нестехиометрического сплава Fe49Rh51 приводит к появлению большего количества кристаллических дефектов по сравнению с Fe50Rh50. Дефекты в данном случае являются точками роста новой фазы, поэтому величина магнитнокалорического эффекта при изменении состава увеличивается.

Далее ученые легировали этот сплав другими элементами в малых концентрациях, чтобы не изменять кристаллическую структуру. На рисунке ниже видно, что в зависимости от типа легирующих атомов температура фазового перехода может как увеличиваться, так и уменьшаться. Пока нет общей теории, которая может предсказать это изменение, однако ученые предполагают, что это зависит от ионного радиуса замещенного атома и изменяющейся локальной электронной структуры.

Рекордные значения магнитокалорического эффекта были обнаружены в сплаве (Fe48.2Ru0.8)Rh51. При циклическом приложении магнитного поля 2 Тл вблизи комнатной температуры. Исследуемый образец охлаждался на 7.1 К в цикле, а при первом включении — на 10.4 К. На данный момент это рекордные значения при заданных условиях.

«К сожалению, железо-родиевые сплавы не годятся для практического применения, так как родий очень дорогой металл. Однако обнаруженные тенденции в поведении магнитных, структурных и калорических свойств могут быть справедливы для похожих сплавов, что позволит достичь больших величин эффекта в коммерчески доступных сплавах», — прокомментировал м.н.с. кафедры магнетизма физического факультета МГУ Алексей Комлев.

Самое известное применение исследуемых сплавов — рабочее тело для твердотельных охлаждающих устройств, так называемых магнитокалорических холодильников. Они более экологичные и долговечные по сравнению с газокопрессионными холодильниками. Однако пока что поиск рабочего тела продолжается — нужно найти недорогой сплав с фазовым переходом вблизи комнатной температуры с достаточно большим эффектом при небольших магнитных полях.

«Дальше планируем изучать тройные сплавы с различными легирующими атомами, так как информации об их поведении мало. Мы будем исследовать корреляции между структурными, магнитными и электронными свойствами таких систем. Также ведется работа по бинарным сплавам железа-родия. В них интерес представляет динамика фазового перехода — где именно зарождается новая фаза и по каким законам происходит ее рост, пока неизвестно. Мы планируем обнаружить общие тенденции на примере простых сплавов, а затем распространить на более структурно сложные, это приведет к углубленному пониманию механизмов процессов возникновения магнитных фазовых переходов», — рассказал Алексей Комлев.