- obiecte
- abstract
- introducere
- Rezultatul
- Căldură specifică YbPt 2 Sn
- Entropie și MCE
- discuţie
- metode
- Pregătirea materialului
- Capacitate termică
- Kituri ADR
- Mai multe detalii
- Informatii suplimentare
- Fișiere PDF
- Informatii suplimentare
- Videoclipuri
- Film complementar 1
- Comentarii
obiecte
- Fizică Aplicată
- Proprietăți magnetice și materiale
abstract
Demagnetizarea adiabatică câștigă în prezent un interes puternic în găsirea de alternative la tehnicile de refrigerare pe bază de 3 He pentru a atinge temperaturi sub 2 K. Principalele motive sunt lipsa recentă și costul ridicat al izotopului de heliu 3 He. Aici vă prezentăm descoperirea unui efect magnetocaloric mare în compusul intermetalic YbPt 2 Sn, care permite răcirea demagnetizării adiabatice de la 2 K la 0,2 K. Demonstrăm acest lucru folosind un frigider de acasă. Alte materiale, cum ar fi sărurile paramagnetice, sunt utilizate în mod obișnuit în același scop, dar niciunul nu este metalic, ceea ce reprezintă o limitare strictă pentru aplicațiile la temperatură scăzută. YbPt 2 Sn este un metal bun cu o cuplare magnetică extrem de rară între atomii de Yb, care îi împiedică să depășească 0,25 K, astfel încât să rămână suficientă entropie pentru a fi utilizată în răcirea demagnetizării adiabatice. Capacitatea entropică de volum mare YbPt 2 Sn garantează, de asemenea, performanțe bune de răcire.
Utilizare 3 Situat în diverse domenii ale aplicațiilor medicale, scopurilor militare și cercetării științifice. În știință și tehnologie, 3 este una dintre componentele esențiale pentru atingerea temperaturilor foarte scăzute 4 sau pentru detectarea radioactivității 1. Astăzi ne confruntăm cu o reducere a ofertei pentru diverse cerințe și costuri foarte mari de 3 He pur: De exemplu, fizicienii cu temperatură scăzută au cerut între 2004 și 2010 doar 1, 3% din 3 He disponibil și prețul a crescut cu un factor de 15 (referință 2, 3). Înainte de această limitare, 3 He erau principalii consumatori, deoarece temperaturile sub 0,3 K și mai mici erau atinse în mare parte de sistemele de frigidere cu diluție 3 He și 3 He/4 He. Având în vedere că 3 a fost obținut doar ca produs secundar din decăderea tritiului din stocurile de arme nucleare sau din reactoarele nucleare, un acord global privind reducerea acestor instalații este încă în vigoare, pare puțin probabil ca o aprovizionare lină de 3 viitorul. Drept urmare, suntem acum obligați să căutăm alternative pentru a ocoli această criză.
MCM-urile ideale pentru aplicații cu temperatură scăzută ar trebui să fie realizate din atomi magnetici care se află într-o stare paramagnetică degenerată până la cea mai mică temperatură posibilă într-un câmp magnetic zero. Apoi ar trebui să aibă un volum entropic mare pentru o putere de răcire bună. În plus, este de preferat ca acesta să fie metalic și să nu fie supraconductor pentru a obține o conducere mai bună a căldurii și o prelucrare ușoară. În cele din urmă, nu ar trebui să se înrăutățească în timp. Până în prezent, majoritatea materialelor utilizate la temperaturi sub 2 K au îndeplinit doar primele două cerințe 7, dar modificările sofisticate sunt obligatorii pentru a îndeplini standardul de funcționare: Pentru protecție MCM și suficient contact termic, aceste MCM nemetalice trebuie pregătite în interiorul unui vas cu structuri metalice speciale.
În această lucrare, demonstrăm că compusul metalic YbPt 2 Sn, care îndeplinește toate ipotezele de mai sus pentru MCM la temperaturi scăzute. Am măsurat capacitatea specifică de căldură C (T, B) a policristalinului YbPt2 Sn20 până la o temperatură T = 0,05 K și un câmp magnetic B până la 7 T utilizând metoda impulsului de căldură compensat 21. Entropia S (T, B) convertită din C (T, B) este utilizată pentru a estima MCE și temperatura minimă accesibilă demagnetizării adiabatice, ale cărei rezultate sunt 3 He-criostat.
Rezultatul
Căldură specifică YbPt 2 Sn
( A ) T - dependența capacității termice specifice YbPt2 Sn împărțită la temperatura C/T la diferite câmpuri magnetice într-o curbă logaritmică dublă. Simbolurile goale și solide sunt date obținute folosind un criostat standard de 4 He și un frigider de diluare. Liniile drepte evidențiază creșterea 1/T2 a C/T datorită fluctuațiilor puternice și dependenței tipice C/T 1/T3 pentru partea de temperatură ridicată a miezului Schottky. T m = 0,25 K indică începutul aranjamentului magnetic cu rază scurtă de acțiune. b ) 4f - contribuția electronului C4 f/T (simboluri galbene) la căldura specifică totală C/T (simboluri negre) la B = 0 după deducerea contribuției electronice conductoare γ = 0,03 JK −2 mol −1 și a contribuției nucleare α n/T3 cu α n = 5, 8 mJ K mol −1 (a se vedea figura suplimentară 1 și nota suplimentară 1). Zona galbenă de sub curba C4f/T versus T este entropia eliberată la 4 K, S4f (4K) ≈R1n2, entropia maximă pentru starea de bază a dubletului. ( c ) C4f/T versus T la B = 0, 0, 5, 1, 5, 4 și 7 T.
Imagine la dimensiune completă
La T JK2-2 mol -1 și α = 5, 8 mJ K mol -1 (simboluri galbene). Acum, când evaluăm entropia 4f- electron S 4f din integrala C4f/T între 0,06 și 4K (comparați zona galbenă din Figura 1b), obținem exact R ln2, entropia maximă pentru starea de bază a dubletului. Mărirea câmpului duce la o deplasare a acestei entropii la un T mai mare, așa cum se arată în Figura 1c (zone colorate), ceea ce induce MCE după care am.
Entropie și MCE
Prin integrarea C4f/T pentru toate câmpurile putem extrage întreaga entropie 4f-electron S4f (T, B). Pentru a investiga căile adiabatice utile, am creat o diagramă de zonă interpolând curbele S4f (T, B), care este prezentată în Figura 2a. Ca urmare, suprafața colorată arată în mod clar un MCE remarcabil: suprimarea izotermică a entropiei (săgeata neagră) urmată de o urmă izentropică (săgeata roșie) permite reducerea temperaturii. T i și T f denotă temperatura de început și de sfârșit. Același lucru este prezentat în FIG. 2b, adică proiecția datelor în planul S - T. În Figura 2c am trasat Tf YbPt2 Sn așteptat în funcție de Tj indicat în Figura 2a. Dolné T i dolné T f. Tf scade și mai mult pe măsură ce suprimăm entropia cu un câmp mai puternic. Se va aprecia că acest material poate fi întotdeauna răcit sub 0,2 K în intervalul adecvat de T și B pentru un criostat standard de 4 He și un magnet supraconductor. Acest lucru se datorează faptului că tranziția în Tm nu reduce multă entropie și MCE permite sistemului să se răcească sub Tm. Deși teoria sugerează că ar trebui să fie posibil să se răcească mult sub 0,2 K, în experimentele reale (a se vedea mai jos și figura suplimentară 3) s-au atins doar temperaturi ușor sub 0,2 K.
( A ) Harta de culoare a entropiei magnetice a electronilor 4f, S4f (T, B) = (C4f/T) dT, YbPt2 Sn. Liniile solide negre sunt calculate din C4f măsurat (T, B)/T, iar suprafața colorată este interpolată din date. Regiunile de aceeași culoare sunt izentrope. Săgeata neagră indică supresia izotermică a entropiei și săgeata roșie indică demagnetizarea adiabatică, care dezvăluie MCE pur. b ) Proiectarea datelor în planul S - T. Linia gri indică Rn2, care este entropia de saturație a dubletului în starea de bază. c ) Temperatura inițială T i dependența de temperatura finală Tf pentru diferite urme adiabatice sau contururi izentropice.
Imagine la dimensiune completă
Tabel în dimensiune completă
A ) Măsurători MCE folosind demagnetizarea cvasi-adiabatică. Temperatura coloanei de lingou YbPt 2 Sn (foto), coloana T, este prezentată pentru diferite căi. Înregistrarea actuală a celei mai scăzute temperaturi este de 0,19 K, care a fost atinsă de la 6 T la 1,45 K. De la 4 T și 1,75 K, s-a atins 0,22 K, iar câteva ore mai târziu temperatura a crescut la 0,26 K. Din acest punct, coloana a fost magnetizată până la 2 T și menținută timp de 1 oră înainte de a fi magnetizată din nou. Săgețile de lângă fiecare măsurătoare indică direcțiile de tragere și viteza de tragere este, de asemenea, indicată în vecinătate. Comportamentul aproape liniar al stâlpului T măsurat (B) evidențiat de linii drepte este o dovadă a MCE paramagnetic. ( b ) Creșterea coloanei T cu timpul: aproximativ 0, 01 Kh −1. ( c ) coloană de lingou (10 g) YbPt 2 Sn.
Imagine la dimensiune completă
discuţie
Proprietățile excepționale de mai sus ale YbPt 2 Sn ne-au permis să construim un ADR cu un MCM metalic care este funcțional sub temperatura de bază a criostatului cu 3 He. Acest material poate fi modelat cu ușurință în diferite forme și atașat direct la ținta de răcire fără complicații. Este un metal bun și nu sunt necesare alte structuri metalice pentru conducerea căldurii, spre deosebire de sărurile paramagnetice sau granatele, care sunt conductori termici foarte slabi. Sperăm că descoperirea noastră va accelera fizicienii la temperaturi scăzute pentru a scăpa de criza în curs.
metode
Pregătirea materialului
În ciuda presiunii metalice ridicate a vaporilor Yb, YbPt2 Sn poate fi ușor preparat într-un cuptor standard de topire cu arc, reacționând mai întâi Yb cu Sn cu topire scăzută și apoi adăugând Pt. Detaliile sunt date în ref. 20. Coloana utilizată pentru asamblarea PPMS (a se vedea figura suplimentară 2) și tija pentru ADR intern au fost obținute prin turnarea YbPt 2 Sn pre-reacționată într-o matriță adecvată într-un cuptor de topire cu arc și un sistem comercial de turnare de înaltă frecvență (a se vedea Film suplimentar 1).
Capacitate termică
Măsurătorile capacității de căldură au fost efectuate într-un frigider de diluare (Oxford Instruments) pentru temperaturi de 0,05 T 4 K și un câmp magnetic B până la 7 T utilizând metoda impulsului termic compensat descris în ref. 21. Pentru T> 2 K, măsurătorile au fost efectuate într-un PPMS de 7 T.
Kituri ADR
Pentru a testa răcirea și MCE YbPt 2 Sn, am construit două sisteme de răcire diferite. Unul urmează structura standard a unui ADR comercial echipat cu un întrerupător termic mecanic, iar celălalt este o versiune simplă miniaturizată fără un întrerupător termic care poate fi utilizat într-un PPMS comercial, așa cum se arată în figura suplimentară 2. am modificat criostatul de oală de top 1 K. Faza de eșantionare (disc subțire de alamă) este atașată sub vasul de 1 K folosind o pereche de paie Kapton și se află în zona de compensare a câmpului de împrăștiere al magnetului supraconductor. Sub acest stadiu, două tije subțiri de alamă sunt întinse în centrul magnetului de la marginile opuse ale etapei probei, iar capătul fiecărei tije este conectat perpendicular pe fiecare braț al părții de alamă în formă de "Φ". Greutatea întregii alamă este de aproximativ 30 g. Coloana de lingou YbPt 2 Sn prezentată în FIG. 3c este prins în mijlocul acestei piese subțiri de metal. O comandă manuală push-pull este utilizată pentru a activa întrerupătorul termic mecanic. Alte detalii și specificații ale acestui aranjament vor fi furnizate în altă parte.
Mai multe detalii
Cum se citează acest articol: Jang, D. și colab. Efect magnetocaloric mare și răcire demagnetizare adiabatică cu YbPt 2 Sn. Nat. Comun. 6: 8680 doi: 10, 1038/ncomms9680 (2015).
Informatii suplimentare
Fișiere PDF
Informatii suplimentare
Figurile suplimentare 1-3, Note suplimentare 1-3 și referințe suplimentare
Videoclipuri
Film complementar 1
Prepararea materialului magnetocaloric metalic YbPt 2 Sn. Noul material magnetocaloric YbPt 2 Sn este aruncat într-o tijă într-un creuzet rece. Un câmp magnetic puternic de înaltă frecvență (RF) induce curenți electrici mari în bucățile pre-reacționate de YbPt 2 Sn, care le încălzesc și le permit să se topească, în timp ce creuzetul de cupru răcit cu apă rămâne rece. Rotația generatorului de înaltă frecvență permite topirea să se topească într-o matriță cilindrică sub creuzet.
Comentarii
Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.