Effetti magnetocalorici giganti e altamente anisotropi in cristalli singoli disordinati

Mar 26, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7105 (2023) Citare questo articolo

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L'anisotropia magnetica è fondamentale nell'esame di materiali idonei per le funzionalità magnetiche perché influenza le loro caratteristiche magnetiche. In questo studio, sono stati sintetizzati cristalli singoli di perovskite RCr0.5Fe0.5O3 (R = Gd, Er) disordinati ed è stata studiata l'influenza dell'anisotropia magnetica e dell'ordinamento aggiuntivo dei momenti delle terre rare sulle proprietà magnetocaloriche criogeniche. Sia GdCr0.5Fe0.5O3 (GCFO) che ErCr0.5Fe0.5O3 (ECFO) cristallizzano in una struttura ortorombica Pbnm con ioni Cr3+ e Fe3+ distribuiti casualmente. Nel GCFO, l'ordine a lungo raggio dei momenti Gd3+ emerge ad una temperatura di TGd (la temperatura di ordinamento dei momenti Gd3+) = 12 K. La natura relativamente isotropa del grande momento Gd3+ originato dal momento angolare orbitale pari a zero mostra un effetto magnetocalorico gigante e virtualmente isotropo (MCE), con una variazione massima di entropia magnetica di \(\Delta {S}_{M}\) ≈ 50,0 J/kg·K. Nell'ECFO, le magnetizzazioni altamente anisotrope danno come risultato un grande MCE rotante caratterizzato da una variazione di entropia magnetica rotante \(\Delta {S}_{\theta }\) = 20,8 J/kg·K. Questi risultati indicano che una comprensione dettagliata delle caratteristiche magneticamente anisotrope è la chiave per esplorare le proprietà funzionali migliorate negli ossidi di perovskite disordinati.

La crescente popolarità della refrigerazione magnetica ad alta efficienza energetica nella tecnologia pulita ha ispirato un'ampia ricerca su nuovi materiali magnetici per scoprire una tecnica efficace per migliorare l'effetto magnetocalorico (MCE), che è descritto come la variazione di temperatura (T) in un materiale magnetico mediante l'applicazione il campo magnetico (H)1,2,3,4. L'MCE può essere stimato mediante una variazione adiabatica di T (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\)) e una variazione isotermica di entropia magnetica (\(\Delta {\mathrm{S}}_{\ mathrm{M}}\)) sotto l'influenza di H. La refrigerazione magnetica criogenica è fondamentale per ottenere temperature sub-Kelvin come sostituto della refrigerazione a diluizione 3He/4He nonostante l'aumento dei costi e la liquefazione del gas idrogeno, che viene utilizzata come combustibile alternativo. Recentemente, grandi MCE criogenici sono stati scoperti in vari ossidi isolanti di metalli di transizione5,6,7 che possiedono facile producibilità, stabilità chimica ed evitano l'inefficienza di refrigerazione a causa delle correnti parassite. L'aspetto benefico dell'MCE è stato raggiunto dal \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) in vari magneti a base di ossido, come Gd2CoMnO68 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad} }\) = 1,3 K per ΔH = 0–9 T a 2 K e \(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 8,3 K per ΔH = 0–9 T a 17 K ), SrFe0 .5Co0.5O39 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 1,8 K per ΔH = 0–5 T a 330 K), HoMnO310 (\(\Delta {T}_{\mathrm {ad}}\) = 10,8 K per ΔH = 0–7 T a 11 K), CrO211 (\(\Delta {T}_{\mathrm{ad}}\) = 2,0 K per ΔH = 0–1,5 T a 390K). In alternativa, la fattibilità della refrigerazione magnetica può essere migliorata sviluppando un MCE8,12,13 rotante, che può essere ottenuto ruotando il refrigerante a H costante. I vantaggi di questo metodo sono la semplicità tecnica e la compattezza del dispositivo. Tuttavia, una forte anisotropia magnetica è essenziale per la realizzazione del raffreddamento del refrigerante, che può essere ottenuto utilizzando magneti monocristallini la cui anisotropia magnetocristallina intrinseca ha origine dall'interazione anisotropica spin-orbita che varia con la simmetria e la struttura. MCE rotante criogenico è stato osservato in diversi magneti di ossido isolante, come TbMnO314 (la variazione di entropia magnetica ottenuta dalla rotazione, \(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 J/kg·K per 5 T a 15 K), HoMn2O515 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 12,4 J/kg·K per 7 T a 10 K), TmFeO316 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,0 J/kg·K per 5 T a 17 K), KTm(MoO4)217 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 9,8 J/kg·K per 5 T a 10 K), e KEr(MoO4)218 (\(\Delta {S}_{\theta }\) = 13 J/kg·K per 5 T a 10 K).

I composti RCr0.5Fe0.5O3 (R = La, …, Lu) cristallizzano in una struttura disordinata di perovskite ortorombica con il gruppo spaziale Pbnm avente ioni Cr3+ e Fe3+ distribuiti casualmente a causa di raggi ionici simili di Cr3+ (0,615 Å) e Fe3+ (0,645 Å) ) ioni19,20,21,22,23. L'ordine inclinato-antiferromagnetico emerge in RFeO3 a causa degli accoppiamenti di scambio dominanti Fe3+-Fe3+ (Γ4(GxAyFz) nella notazione di Bertaut)24. In RCr0.5Fe0.5O3, la struttura magnetica Γ4 si presenta a una T molto più bassa originata da un effetto di diluizione magnetica degli ioni Cr3+28. Indagini approfondite sulla serie di composti basati su diverse fasi e interazioni magnetiche rivelano proprietà fisiche interessanti, come il metamagnetismo25,26, la polarizzazione di scambio27,28, l'effetto magnetodielettrico22,29,30 e la multiferroicità31,32,33,34. Inoltre, grandi MCE criogenici in forme policristalline, come GdCr0.5Fe0.5O320 (\(\Delta {S}_{M}\)= 29,2 J/kg·K per ΔH = 0–4,5 T), Gd2NiMnO635 (\( \Delta {S}_{M}\)= 37,2 J/kg·K per ΔH = 0–8 T), ErCr0,5Fe0,5O336 (\(\Delta {S}_{M}\)= 12,4 J/ kg·K per ΔH = 0–5 T) e DyCr0,5Fe0,5O333 (\(\Delta {S}_{M}\)= 11,3 J/kg·K per ΔH = 0–4,5 T) sono stati anche scoperto. Vari studi hanno ipotizzato che grandi momenti magnetici degli ioni magnetici delle terre rare con forte anisotropia influenzerebbero in modo significativo l'MCE criogenico. Tuttavia, questi studi si sono concentrati solo su campioni policristallini contenenti un gran numero di grani di tutti gli orientamenti spaziali, ottenendo l'effetto medio per le proprietà fisiche osservate.