голям

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • Специфична топлина YbPt 2 Sn
  • Ентропия и MCE
  • дискусия
  • методи
  • Подготовка на материала
  • Топлинен капацитет
  • ADR комплекти
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • видеоклипове
  • Допълнителен филм 1
  • Коментари

елементи

  • Приложна физика
  • Магнитни свойства и материали

абстрактно

Понастоящем адиабатното размагнитване придобива силен интерес за намиране на алтернативи на 3 хладилни техники на базата на He, за да се постигнат температури под 2 К. Основните причини са скорошният недостиг и високата цена на редкия 3 He хелий изотоп. Тук представяме откриването на голям магнитокалоричен ефект в интерметалното съединение YbPt 2 Sn, което позволява адиабатно охлаждане от размагнитване от 2 K до 0,2 K. Това демонстрираме с помощта на домашен хладилник. Други материали, като парамагнитни соли, обикновено се използват за същата цел, но нито един не е метален, което е строго ограничение за приложения с ниска температура. YbPt 2 Sn е добър метал с изключително рядко слабо магнитно свързване между Yb атоми, което ги предпазва от над 0,25 K, така че остава достатъчно ентропия за използване при адиабатно охлаждане на размагнитването. Големият обем на ентропичен капацитет YbPt 2 Sn също гарантира добро охлаждане.

Употреба 3 Намира се в различни области на медицински приложения, военни цели и научни изследвания. В науката и технологиите 3 е един от основните компоненти за постигане на много ниски температури 4 или за откриване на радиоактивност 1. Днес изпитваме съкращаване на доставките за различни изисквания и много високи разходи за чист 3 He: Например, нискотемпературните физици изискват между 2004 и 2010 г. само 1,3% от наличните 3 He и цената се увеличава с коефициент 15 (справка 2, 3). Преди това ограничение 3 He бяха основните консуматори, тъй като температурите под 0,3 K и по-ниски се достигаха най-вече от хладилните системи за разреждане 3 He и 3 He/4 He. Като се има предвид, че 3 е получен само като страничен продукт от разпадането на тритий в запасите от ядрено оръжие или в ядрените реактори, все още е в сила глобално споразумение за намаляване на тези съоръжения, изглежда малко вероятно гладкото доставяне на 3 He в бъдещето. В резултат на това сега сме длъжни да търсим алтернативи за заобикаляне на тази криза.

Идеалните MCM за нискотемпературни приложения трябва да бъдат направени от магнитни атоми, които са в дегенерирано парамагнитно състояние до най-ниската възможна температура в нулево магнитно поле. Тогава той трябва да има голям обем ентропичен капацитет за добра охлаждаща мощност. Освен това се предпочита той да е метален и да не е свръхпроводящ, за да се постигне по-добра топлопроводимост и лесна механична обработка. И накрая, не трябва да се влошава с времето. Досега повечето материали, използвани при температури под 2 K, отговарят само на първите две изисквания 7, но сложните модификации са задължителни, за да отговарят на стандарта на работа: За защита на MCM и достатъчен термичен контакт тези неметални MCM трябва да бъдат подготвени в съд със специални метални конструкции.

В тази статия ние демонстрираме, че металното съединение YbPt 2 Sn, което отговаря на всички горни предположения за MCM при ниски температури. Измерихме специфичния топлинен капацитет C (T, B) на поликристален YbPt2 Sn20 до температура T = 0,05 K и магнитно поле B до 7 T, използвайки метода на компенсирания топлинен импулс 21. Ентропията S (T, B), преобразувана от C (T, B), се използва за оценка на MCE и минималната температура, достъпна за адиабатно размагнитване, резултатите от които са 3 He-криостат.

резултатът

Специфична топлина YbPt 2 Sn

( а ) T - зависимост на специфичния топлинен капацитет YbPt2 Sn, разделен на температура C/T при различни магнитни полета в двойна логаритмична крива. Празни и твърди символи са данни, получени при използване на стандартен 4 He-криостат и хладилник за разреждане. Правите линии подчертават увеличаването на C/T с 1/T2 поради силни колебания и типичната зависимост C/T 1/T3 за високотемпературната страна на ядрото на Шотки. T m = 0,25 K показва началото на магнитното устройство с къси разстояния. б ) 4f - принос на електрон C4 f/T (жълти символи) към общата специфична топлина C/T (черни символи) при B = 0 след приспадане на проводящ електронен принос γ = 0.03 JK −2 mol −1 и ядрен принос α n/T3 с α n = 5, 8 mJ K mol -1 - (виж допълнителна фигура 1 и допълнителна забележка 1). Жълтата зона под кривата C4f/T спрямо T е ентропията, освободена до 4 K, S4f (4K) ≈R1n2, максималната ентропия за основното състояние на дублета. ( ° С ) C4f/T срещу T при B = 0, 0, 5, 1, 5, 4 и 7 T.

Изображение в пълен размер

При T JK2-2 mol -1 и α = 5, 8 mJ K mol -1 (жълти символи). Сега, когато оценяваме 4f-електронната ентропия S 4f от интеграла C4f/T между 0,06 и 4K (сравнете жълтата област на фигура 1b), получаваме точно R ln2, максималната ентропия за основното състояние на дублета. Увеличаването на полето води до изместване на тази ентропия към по-висок T, както е показано на фигура 1в (цветни области), което индуцира MCE, след което ние.

Ентропия и MCE

Чрез интегриране на C4f/T за всички полета можем да извлечем цялата 4f-електронна ентропия S4f (T, B). За да изследваме полезни адиабатни пътища, създадохме диаграма на площта, интерполираща кривите S4f (T, B), която е показана на фигура 2а. В резултат на това цветната повърхност ясно показва забележителен MCE: Изотермичното потискане на ентропията (черна стрелка), последвано от изентропна следа (червена стрелка), позволява да се намали температурата. T i и T f означават началната и крайната температура. Същото е показано на ФИГ. 2b, т.е.проекцията на данните в равнината S - T. На фигура 2в сме начертали очаквания Tf YbPt2 Sn като функция на Tj, посочена на фигура 2а. Dolné T i dolné T f. Tf допълнително намалява, докато потискаме ентропията с по-силно поле. Ще бъде оценено, че този материал винаги може да бъде охладен под 0,2 К в подходящия диапазон на Т и В за стандартен 4 He-криостат и свръхпроводящ магнит. Това е така, защото преходът в Tm не намалява много ентропията и MCE позволява на системата да се охлади под Tm. Въпреки че теорията предполага, че трябва да е възможно да се охлади доста под 0,2 K, в реални експерименти (виж по-долу и допълнителна фигура 3) са постигнати само температури малко под 0,2 K.

( а ) Цветна карта на 4f-електронна магнитна ентропия, S4f (T, B) = (C4f/T) dT, YbPt2 Sn. Черните плътни линии се изчисляват от измерения C4f (T, B)/T и цветната повърхност се интерполира от данните. Областите от един и същи цвят са изентропни. Черната стрелка показва изотермично потискане на ентропията, а червената стрелка показва адиабатно размагнитване, което разкрива чисто MCE. б ) Проекция на данни в равнината S - T. Сивата линия показва Rn2, което е ентропията на насищане на дублета в основно състояние. ° С ) Начална температура T i зависимост на крайната температура Tf за различни адиабатни следи или изентропни контури.

Изображение в пълен размер

Маса в пълен размер

а ) MCE измервания с помощта на квазиадиабатно размагнитване. Температурата на колоната на блока YbPt 2 Sn (снимка), колона Т, е показана за различни пътища. Текущият рекорд на най-ниската температура е 0,19 K, който беше достигнат от 6 T до 1,45 K. От 4 T и 1,75 K беше достигнато 0,22 K, а няколко часа по-късно температурата се повиши до 0,26 K. От тази точка, колоната се магнетизира до 2 Т и се задържа 1 час, преди да се намагнетизира отново. Стрелките до всяко измерване показват посоките на изтегляне, а скоростите на изтегляне също са посочени в близост. Почти линейното поведение на измерения Т-стълб (B), подчертано с прави линии, е доказателство за парамагнитна MCE. ( б ) Увеличение на Т-колона с времето: около 0, 01 Kh -1. ( ° С ) колона на слитък (10 g) YbPt 2 Sn.

Изображение в пълен размер

дискусия

Горните изключителни свойства на YbPt 2 Sn ни позволиха да изградим ADR с метален MCM, който е функционален под основната температура на 3 He-криостата. Този материал може лесно да се формова в различни форми и директно да се прикрепи към охлаждащата цел без никакви усложнения. Това е добър метал и не са необходими други метални конструкции за топлопроводимост, за разлика от парамагнитните соли или гранатите, които са много лоши топлопроводи. Надяваме се, че нашето откритие ще ускори физиците при ниски температури, за да избегнат продължаващата криза.

методи

Подготовка на материала

Въпреки високото налягане на металните пари Yb, YbPt2 Sn може лесно да се приготви в стандартна дъгова топилна пещ, като първо се реагира Yb с ниско топене Sn и след това се добави Pt. Подробности са дадени в реф. 20. Колоната, използвана за сглобяване на PPMS (вж. Допълнителна фигура 2), и пръчката за вътрешния ADR са получени чрез отливане на предварително реагирал YbPt 2 Sn в подходяща форма в дъгова топилна пещ и търговска система за високочестотно леене (вж. Допълнителен филм 1).

Топлинен капацитет

Измерванията на топлинната мощност бяха извършени в хладилник за разреждане (Oxford Instruments) за температури от 0,05 T 4 K и магнитно поле B до 7 T, използвайки метода на компенсиран термичен импулс, описан в реф. 21. За T> 2 K, измерванията бяха извършени в 7 T PPMS.

ADR комплекти

За да тестваме охлаждането и MCE YbPt 2 Sn, изградихме две различни охладителни системи. Единият следва стандартната структура на търговския ADR, оборудван с механичен термопревключвател, а другият е проста миниатюризирана версия без термопревключвател, който може да се използва в търговски PPMS, както е показано на допълнителна фигура 2. Първата настройка, модифицирахме топ-1 K пота криостат. Фазата на пробата (тънък месингов диск) е прикрепена под 1 К съд с помощта на двойка каптонови сламки и е разположена в компенсационната зона на полето на разсейване на свръхпроводящия магнит. Под този етап два тънки месингови пръта са опънати в центъра на магнита от противоположните ръбове на етапа на пробата, а краят на всеки прът е свързан перпендикулярно на всяко рамо на месинговата част с форма "Φ". Теглото на целия месинг е около 30 g. Колоната на слитъка YbPt 2 Sn, показана на ФИГ. 3c е затегната в средата на тази тънка метална част. За активиране на механичния термичен превключвател се използва ръчно управление с натискане. Допълнителни подробности и спецификации на това споразумение ще бъдат предоставени другаде.

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Jang, D. et al. Голям магнитокалоричен ефект и адиабатно охлаждане с размагнитване с YbPt 2 Sn. Нат. Общ. 6: 8680 doi: 10, 1038/ncomms9680 (2015).

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Допълнителни фигури 1-3, допълнителни бележки 1-3 и допълнителни препратки

видеоклипове

Допълнителен филм 1

Приготвяне на метален магнитокалоричен материал YbPt 2 Sn. Новият магнитокалоричен материал YbPt 2 Sn се влива в пръчка в студен тигел. Силно високочестотно (RF) магнитно поле индуцира големи електрически токове в предварително реагиралите парчета YbPt 2 Sn, които ги загряват и им позволяват да се стопят, докато охладеният с вода меден тигел остава студен. Въртенето на високочестотния генератор позволява стопилката да се стопи в цилиндрична форма под тигела.

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.