無秩序な単結晶における巨大で異方性の高い磁気熱量効果

Mar 26, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7105 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

磁気異方性は磁気特性に影響を与えるため、磁気機能に適した材料を検討する際に非常に重要です。 この研究では、無秩序ペロブスカイト RCr0.5Fe0.5O3 (R = Gd、Er) 単結晶を合成し、磁気異方性と希土類モーメントの追加秩序が極低温磁気熱量特性に及ぼす影響を調査しました。 GdCr0.5Fe0.5O3 (GCFO) と ErCr0.5Fe0.5O3 (ECFO) は両方とも、Cr3+ および Fe3+ イオンがランダムに分布した斜方晶系 Pbnm 構造で結晶化します。 GCFO では、Gd3+ モーメントの長距離秩序が TGd (Gd3+ モーメントの秩序化温度) = 12 K の温度で出現します。ゼロ軌道角運動量から生じる大きな Gd3+ モーメントの比較的等方的な性質は、巨大で実質的に等方性の磁気熱量効果を示します。 (MCE)、最大磁気エントロピー変化は \(\Delta {S}_{M}\) ≈ 50.0 J/kg・K です。 ECFO では、高度に異方性の磁化により、回転磁気エントロピー変化 \(\Delta {S}_{\theta }\) = 20.8 J/kg・K を特徴とする大きな回転 MCE が生じます。 これらの結果は、磁気異方性特性を詳細に理解することが、不規則なペロブスカイト酸化物の改善された機能特性を探索するための鍵であることを示しています。

クリーン技術におけるエネルギー効率の高い磁気冷凍の人気の高まりにより、新しい磁性材料に関する広範な研究が行われ、磁気熱量効果 (MCE) を強化する効果的な技術が発見されました。MCE は、磁性材料内の温度 (T) の変化として説明されます。磁場 (H)1、2、3、4。 MCE は、断熱 T 変化 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\)) および等温磁気エントロピー変化 (\(\Delta {\mathrm{S}}_{\) によって推定できます。 mathrm{M}}\)) は H の影響下にあります。極低温磁気冷凍は、コストが増加し、代替燃料として利用される水素ガス液化にもかかわらず、3He/4He 希釈冷凍の代替としてサブケルビン温度を得るために重要です。 最近、大きな極低温 MCE が、容易な製造性、化学的安定性、および渦電流による冷凍効率の回避を備えたさまざまな絶縁性遷移金属酸化物 5、6、7 で発見されました。 MCE の有益な側面は、Gd2CoMnO68 などのさまざまな酸化物磁石の \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) によって実現されています (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}} }\) = 1.3 K (ΔH = 0–9 T at 2 K および \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 8.3 K (ΔH = 0–9 T at 17 K )、SrFe0 .5Co0.5O39 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 1.8 K、ΔH = 0–5 T at 330 K)、HoMnO310 (\(\Delta {T}_{\mathrm) {ad}}\) = 10.8 K（ΔH = 0 ～ 7 T、11 K）、CrO211 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 2.0 K、ΔH = 0 ～ 1.5 T 390Kで）。 あるいは、回転 MCE8、12、13 を開発することによって磁気冷凍の実現可能性を向上させることもできます。これは、冷媒を一定 H で回転させることによって実現できます。この方法の利点は、技術的な単純さと装置のコンパクトさです。 しかし、冷媒冷却の実現には強い磁気異方性が不可欠であり、これは単結晶磁石を使用することで達成できます。単結晶磁石の固有結晶磁気異方性は、対称性と構造によって変化する異方性のスピン軌道相互作用に由来します。 極低温回転 MCE は、TbMnO314 (回転によって得られる磁気エントロピー変化 \(\Delta {S}_{\theta }\) = 9.0 J/kg・K for 5 T at 15) などのいくつかの絶縁性酸化物磁石で観察されています。 K)、HoMn2O515 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 12.4 J/kg・K for 7 T at 10 K)、TmFeO316 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9.0 J/kg・K (17 K で 5 T の場合)、KTm(MoO4)217 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9.8 J/kg・K (10 K で 5 T の場合))、 KEr(MoO4)218 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 10 K で 5 T の場合 13 J/kg・K)。

RCr0.5Fe0.5O3 (R = La, …, Lu) 化合物は、Cr3+ (0.615 Å) と Fe3+ (0.645 Å) のイオン半径が類似しているため、Cr3+ イオンと Fe3+ イオンがランダムに分布した Pbnm 空間群を持つ不規則な斜方晶系ペロブスカイト構造で結晶化します。 ) イオン 19、20、21、22、23。 RFeO3 では、支配的な Fe3+-Fe3+ 交換結合 (Bertaut の表記では Γ4(GxAyFz)) により、傾斜反強磁性秩序が現れます 24。 RCr0.5Fe0.5O3 では、Cr3+ イオンの磁気希釈効果に起因する Γ4 磁気構造がはるかに低い T で発生します 28。 多様な磁気相と相互作用に基づく一連の化合物に関する広範な研究により、メタ磁性 25,26、交換バイアス 27,28、磁気誘電効果 22,29,30、多重強磁性 31,32,33,34 などの興味深い物理的特性が明らかになりました。 さらに、GdCr0.5Fe0.5O320 (\(\Delta {S}_{M}\)= 29.2 J/kg・K for ΔH = 0–4.5 T)、Gd2NiMnO635 (\( \Delta {S}_{M}\)= 37.2 J/kg・K (ΔH = 0–8 T)、ErCr0.5Fe0.5O336 (\(\Delta {S}_{M}\)= 12.4 J/ kg・K (ΔH = 0–5 T の場合)、DyCr0.5Fe0.5O333 (\(\Delta {S}_{M}\)= 11.3 J/kg・K (ΔH = 0–4.5 T の場合)) も使用されています。発見した。 さまざまな研究により、強い異方性を持つ磁気希土類イオンの大きな磁気モーメントが極低温 MCE に大きな影響を与えるのではないかという仮説が立てられています。 ただし、これらの研究は、観察された物理的特性の平均的な効果をもたらす、すべての空間方位の粒子を多数含む多結晶標本にのみ焦点を当てていました。