【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著氦氣資源的日益短缺以及低溫制冷在空間應(yīng)用、量子技術(shù)和前沿科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，低溫制冷技術(shù)的重要性不斷增強(qiáng)。絕熱去磁制冷技術(shù)(Adiabatic Demagnetization Refrigeration，ADR)基于材料的磁熱效應(yīng)(Magnetocaloric effect，MCE)，提供了無(wú)需使用稀缺3He、4He達(dá)到亞開爾文溫區(qū)的有效解決方案。其中，材料的磁熵變(ΔSM)是驅(qū)動(dòng)ADR的關(guān)鍵因素。為使材料的磁熵變更接近理論值ΔSM=nRln(2J+1)/MW，除了選擇具有較大J值的稀土離子外，原子配位環(huán)境對(duì)磁密度、磁耦合和晶體場(chǎng)效應(yīng)起著關(guān)鍵作用，從而顯著影響磁基態(tài)和實(shí)際磁熵變值-ΔSM。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M03組胡鳳霞研究員、王晶副研究員、沈保根院士及博士生王冰潔，聯(lián)合物理所HX-01i組孫培杰研究員、項(xiàng)俊森副研究員及博士生劉鑫陽(yáng)，物理所T02組王建濤研究員等合作者，通過(guò)調(diào)控磁密度和Eu2+離子的單離子行為，在EuX2(X = Cl，Br)體系中實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的巨大超低溫磁熱效應(yīng)。具有鐵磁基態(tài)的EuCl2因其Eu2+離子的單離子行為和近自由自旋特性，表現(xiàn)出的巨大磁熵變使其在亞開爾文溫區(qū)(約346mK)的保溫時(shí)間超越了此前報(bào)道材料(包括商用材料)。
研究團(tuán)隊(duì)利用ab initio計(jì)算對(duì)EuCl2材料的電子局域函數(shù)(ELF)和態(tài)密度(DOS)進(jìn)行分析，并結(jié)合布里淵函數(shù)分析和磁性測(cè)量，確定了EuCl2的鐵磁基態(tài)，以及Eu2+ 離子的單離子行為和近自由自旋特性。這種單離子行為和近自由自旋的特性有助于材料產(chǎn)生巨大磁熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EuCl2在5T磁場(chǎng)(1.8K)下實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的-ΔSM ~ 74.6Jkg-1K-1，接近其理論極限(77.5Jkg-1K-1)的96%。與其他已報(bào)道的Gd3+和Eu2+基低溫磁熱材料相比(見圖)，盡管EuCl2的理論磁熵變值并非最高，但其在5T下的實(shí)驗(yàn)-ΔSM值超過(guò)了目前所有報(bào)道材料，且更接近其理論-ΔSM。更重要的是，由于EuCl2中Eu²? 離子的近似自由自旋特性及其易飽和性，在1T低場(chǎng)下，EuCl2也達(dá)到了最高紀(jì)錄的-ΔSM ~ 36.8 Jkg-1K-1，超越了所有其他材料，尤其顯著高于商業(yè)低溫制冷劑Gd3Ga5O12(GGG)。1T磁場(chǎng)下EuCl2的熵變接近GGG在2T下熵變(-ΔSM (2T) ~ 21Jkg-1K-1)的 2倍。此外，得益于EuCl2的大磁熵變，準(zhǔn)絕熱去磁測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在初始溫度和磁場(chǎng)為2K和5T下，EuCl2材料絕熱去磁可達(dá)到~346mK，并在此溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間保溫。初步測(cè)量表明，EuCl2材料在不同初始條件下的保溫時(shí)間均超過(guò)一小時(shí)，顯著優(yōu)于在相同工作條件下的其他(包括商用)材料(見圖)。
相關(guān)研究成果以“A Record-High Cryogenic Magnetocaloric Effect Discovered in EuCl2 Compound”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society [J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 35016−35022]上。并已申請(qǐng)發(fā)明專利(專利號(hào)：202411518651X)。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。
圖：EuCl2材料的磁熱效應(yīng)與準(zhǔn)絕熱去磁測(cè)量得到的保溫時(shí)間曲線，以及與其他低溫磁制冷材料(包括商用材料)的對(duì)比
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