Исследователи проанализировали сплав FeRh, легированный атомами рутения, и обнаружили рекордный магнитокалорический эффект. Специалисты предложили гипотезу, которая объясняет увеличение эффекта. Такие сплавы можно использовать, чтобы создавать твердотельные холодильники и новое поколение жестких дисков. Работа опубликована Metallurgical and Materials Transactions A.
Когда твердое тело переходит из одного состояния в другой, и при этом меняется как кристаллическая структура, так и другие физические свойства, происходит фазовый магнитный переход первого рода. Например, скачкообразная смена структурных характеристик приводит к эффекту гигантской магнитострикции. Сплав FeRh меняет свое магнитное состояние во время фазового перехода, поэтому скачком увеличивается его намагниченность. Из-за того, что его структурные, магнитные и калорические свойства очень тесно связаны, последние сильно меняются. Если включить магнитное поле и индуцировать фазовый переход, то температура сплава будет меняться — это называется магнитокалорический эффект.
В новом исследовании российские ученые показали, что синтез сплава Fe49Rh51 приводит к появлению большего количества кристаллических дефектов по сравнению с Fe50Rh50. В данном случае дефекты становятся точками роста новой фазы, поэтому магнитокалорический эффект усилился.
Специалисты также добавили в этот сплав другие элементы в малых концентрациях, чтобы изменить его свойства, но при этом оставить кристаллическую структуру прежней. Оказалось, что в зависимости от типа добавленных атомов температура фазового перехода может и увеличиваться, и уменьшаться. Пока что предсказать это изменение трудно, но ученые предполагают, что оно зависит от ионного радиуса размещенного атома и изменяющейся локальной электронной структуры.
Самые большие значения магнитокалорического эффекта были в сплаве (Fe48.2Ru0.8)Rh51. Вблизи магнитного поля 2 Тл образец на 7.1 К в цикле, а при первом включении — на 10.4 К. Сейчас это рекордные значения в условиях комнатной температуры.
«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 имени М.В. Ломоносова Алексей Комлев.
Использовать такие сплавы можно в качестве рабочего тела для твердотельных охлаждающих устройств, так называемых магнитокалорических холодильников. Но пока поиск рабочего тела продолжается, ведь 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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
