【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。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)境對磁密度、磁耦合和晶體場效應(yīng)起著關(guān)鍵作用，從而顯著影響磁基態(tài)和實際磁熵變值-ΔSM。
 

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室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、項俊森副研究員及博士生劉鑫陽，物理所T02組王建濤研究員等合作者，通過調(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)的保溫時間超越了此前報道材料(包括商用材料)。
 

　　研究團隊利用ab initio計算對EuCl2材料的電子局域函數(shù)(ELF)和態(tài)密度(DOS)進行分析，并結(jié)合布里淵函數(shù)分析和磁性測量，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)。實驗結(jié)果顯示，EuCl2在5T磁場(1.8K)下實現(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下的實驗-ΔSM值超過了目前所有報道材料，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)絕熱去磁測量發(fā)現(xiàn)，在初始溫度和磁場為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)長時間保溫。初步測量表明，EuCl2材料在不同初始條件下的保溫時間均超過一小時，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。并已申請發(fā)明專利(專利號：202411518651X)。該工作受到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和綜合極端條件實驗裝置的支持。
 

　　圖：EuCl2材料的磁熱效應(yīng)與準(zhǔn)絕熱去磁測量得到的保溫時間曲線，以及與其他低溫磁制冷材料(包括商用材料)的對比