Физики открыли новые особенности поведения материала с рекордной величиной магнитокалорического эффекта

Ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова при участии коллег из Великобритании и Японии показали, что малейшие структурные нарушения в материале могут привести к существенному изменению величины магнитокалорического эффекта в сплавах «железо-родий». О своей работе исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters. 

Магнитокалорический эффект (МКЭ) проявляется в охлаждении или нагревании магнитного материала (материала, обладающего магнитными свойствами) при изменении внешнего магнитного поля. Данное явление было впервые обнаружено в 1917 году, а первое теоретическое обоснование получено лишь спустя 10 лет. За прошедшее столетие МКЭ был изучен очень подробно, однако интерес исследователей к нему не только не упал, но, наоборот, резко возрос в последние десятилетия. Это объясняется, во-первых,  тем, что измерение МКЭ применяется как один из методов исследования магнитных фазовых переходов в различных материалах — данные, полученные из измерений МКЭ используются исследователями для уточнения фазовых диаграмм магнитных материалов. Во-вторых, МКЭ интересен довольно обширной областью его возможных практических применений: магнитокалорические материалы успешно используются для получения сверхнизких температур, а также имеют хорошие перспективы в производстве тепловых машин, холодильных установок. Кроме того, недавно сотрудниками МГУ проф. А.М. Тишиным и к.ф.-м.н. В.И. Зверевым (которые являются также участниками исследования МКЭ, которому посвящена настоящая заметка) был предложен довольно неординарный метод использования МКЭ в медицине. 

В ходе работы физики выяснили, что малейшие нарушения кристаллической структуры сплавов оказывают существенное влияние на проявление МКЭ. По словам одного из авторов работы Радэля Гимаева полученные выводы помогут повысить эффективность практических разработок с применением МКЭ. 

Объектом исследования МКЭ для ученых послужил сплав железа и родия. Как объяснил Радэль Гимаев, этот сплав был выбран по нескольким причинам. Сплав железа и родия наиболее интересен тем, что этот материал обладает самыми высокими значениями МКЭ из всех известных на сегодняшний день. «В научной литературе встречаются сообщения об изменении температуры образцов на 13К при магнитных полях до 2 Тл. На нашем образце с такими же полями мы получали 7,5К», — отмечает Радэль Гимаев.

Максимальная величина МКЭ в нем — как и в случае со всеми магнетиками — достигается при температурах, близких к температуре фазового перехода. В данном случае это переход из состояния антиферромагнетика с относительно слабыми магнитными свойствами в состояние ферромагнетика, в котором материалы притягиваются магнитом. В подобных сплавах фазовый переход происходит при температурах, близких к комнатной температуре или к температуре человеческого тела, что очень важно для перспективы практического применения. «Вдобавок температуру фазового перехода таких сплавов можно задавать с высокой степенью точности, легируя их добавками палладия или платины»,  — добавляет ученый.

К сожалению, к самому многообещающему варианту практического использования МКЭ — к магнитным холодильникам, которые сейчас так широко обсуждаются, — этот сплав отношения не имеет в виду высокой стоимости родия. Стоит отметить, что сегодня основным препятствием к коммерциализации магнитных холодильников является высокая стоимость рабочего тела и источников магнитного поля. Выход из положения ученые ищут в разработке новых относительно недорогих материалов с высокими магнитокалорическими свойствами.

Идеальной кристаллической структурой для получения максимальных значений МКЭ в сплавах «железо-родий» считается объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК), элементарная ячейка которой представляет собой набор атомов железа, расположенных на вершинах куба и атомы родия в его центре. Стоит добавить, что такая структура в «железо-родиевых» сплавах образуется только в случае эквиатомного состава, т.е. 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 2 раза снижается величина изменения температуры образца и смещается температура фазового перехода. Вдобавок учеными был обнаружен эффект «невозвращения» конечной температуры сплава к начальной после полного цикла изменения внешнего магнитного поля.

По мнению 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. Во-вторых, считает он, подобные исследования выявляют ранее неизвестные особенности фазового перехода первого рода в данном семействе сплавов и тем самым углубляют понимание причин гигантского МКЭ.