Veda a výskum

Rotačný magnetokalorický jav

doc. RNDr. Karol Flachbart, DrSc.

Ústav experimentálnej fyziky SAV

Magnetokalorický jav (MKJ) predstavuje proces, pri ktorom sa zmena teploty dosahuje zmenou magnetického poľa B. Na tomto jave založené znižovanie teploty upútalo značnú pozornosť, keďže predstavuje alternatívny spôsob chladenia, šetrnejší k životnému prostrediu.
Pre ďalšie zlepšenie potenciálu MKJ bol v poslednom období navrhnutý rotačný magnetokalorický jav (R-MKJ). V prípade R-MKJ je zmena teploty dosahovaná rotáciu materiálu v poli B (Obr. 1). K realizácii R-MKJ je potrebný materiál s veľkou magnetickou anizotropiou. Vtedy možno rotáciou nahradiť klasický MKJ, pri ktorom má materiál pri štartovacej teplote a vo vysokom poli B veľkú magnetizáciu M (v prípade R-MKJ je vtedy s B rovnobežný smer s veľkou M) a po demagnetizácii malú M a nižšiu teplotu T (pri R-MKJ sa stav s malou M a nižšou T dosiahne po rotácii o 90′).
My sme sa venovali štúdiu R-MKJ v TmB4. Táto zlúčenina patrí medzi látky, ktoré sa intenzívne študujú, a to hlavne z toho dôvodu, že sú geometricky frustrované a pri ich magnetovaní vykazujú magnetizačné platá. Súčasne je TmB4 veľmi anizotropne. Pod ako aj nad teplotou magnetického usporiadania TN = 11.7 K je totiž jeho M v smere kryštalografickej osi c omnoho väčšia, ako v smere kolmom. Aj keď je TmB4 nevhodné pre praktické využitie, je vhodné pre štúdium metodiky R-MKJ.
Na Obr. 2 je zobrazená nami nameraná zmena M počas otáčania. Je vidieť, že anizotropia TmB4 je veľká, napr. pri T = 20 K a B = 4.6 T je v prípade c II B (uhol = 0) jeho M cca. 100 emu/g, zatiaľ čo po otočení o 90′ je M cca. 1 emu/g.
Výsledný R-MKJ je vidieť na Obr. 3, na ktorom je zobrazená zmena teploty delta T po rotácii o 90′, t.j. po otočení zo smeru c II B do kolmého smeru. K chladiacemu efektu dochádza nad TN (modrá oblasť), pričom k najvýraznejšiemu pri T cca. 20 K s delta T takmer -10 K.
Záverom je možné konštatovať, že sa nám podarilo ukázať, že R-MKJ môže byť vhodnou metódou alternatívneho chladenia. Potrebné však budú materiály s vysokou anizotropiu pri vyšších teplotách.

https://www.nature.com/articles/s41598-018-29399-2

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838819344470?via%3Dihub

Image1

Princíp R-MKJ. Stav s veľkou M je dosahovaný ak je kryštalografická os materiálu c II B (uhol = 0). Vtedy sú všetky magnetické momenty, červené aj modré, orientované v smere poľa B, t.j. v smere červených šípok. Po rotácii o 90' sa dosiahne stav s malou M, čomu zodpovedá nižšia teplota T.

 

Image2

Uhlová závislosť magnetizácie TmB4 nad teplotou usporiadania v magnetickom poli B = 4.6 T.

 

Image3

Distribúcia zmeny teploty delta T po rotácii vzorky o 90' v magnetickom poli. Najvýraznejší chladiaci efekt delta T cca. -10 K je v poli B = 4.6 T dosahovaný pri teplote cca. 20 K.