发现超低温巨大稀土磁热材料

日期： 2025-01-21

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来源：中国科学院物理研究所

随着氦气资源的日益短缺以及低温制冷在空间应用、量子技术和前沿科学研究中的广泛应用，低温制冷技术的重要性不断增强。绝热去磁制冷技术（Adiabatic Demagnetization Refrigeration，ADR）基于材料的磁热效应（Magnetocaloric effect，MCE），提供了无需使用稀缺3He、4He达到亚开尔文温区的有效解决方案。其中，材料的磁熵变（ΔSM）是驱动ADR的关键因素。为使材料的磁熵变更接近理论值ΔSM=nRln(2J+1)/MW，除了选择具有较大J值的稀土离子外，原子配位环境对磁密度、磁耦合和晶体场效应起着关键作用，从而显著影响磁基态和实际磁熵变值-ΔSM。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组胡凤霞研究员、王晶副研究员、沈保根院士及博士生王冰洁，联合物理所HX-01i组孙培杰研究员、项俊森副研究员及博士生刘鑫阳，物理所T02组王建涛研究员等合作者，通过调控磁密度和Eu2+离子的单离子行为，在EuX2（X = Cl，Br）体系中实现了创纪录的巨大超低温磁热效应。具有铁磁基态的EuCl2因其Eu2+离子的单离子行为和近自由自旋特性，表现出的巨大磁熵变使其在亚开尔文温区（约346mK）的保温时间超越了此前报道材料（包括商用材料）。

研究团队利用ab initio计算对EuCl2材料的电子局域函数（ELF）和态密度（DOS）进行分析，并结合布里渊函数分析和磁性测量，确定了EuCl2的铁磁基态，以及Eu2+ 离子的单离子行为和近自由自旋特性。这种单离子行为和近自由自旋的特性有助于材料产生巨大磁热效应。实验结果显示，EuCl2在5T磁场（1.8K）下实现了创纪录的-ΔSM ~ 74.6Jkg-1K-1，接近其理论极限（77.5Jkg-1K-1）的96%。与其他已报道的Gd3+和Eu2+基低温磁热材料相比（见图），尽管EuCl2的理论磁熵变值并非最高，但其在5T下的实验-ΔSM值超过了目前所有报道材料，且更接近其理论-ΔSM。更重要的是，由于EuCl2中Eu²⁺ 离子的近似自由自旋特性及其易饱和性，在1T低场下，EuCl2也达到了最高纪录的-ΔSM ~ 36.8 Jkg-1K-1，超越了所有其他材料，尤其显著高于商业低温制冷剂Gd3Ga5O12（GGG）。1T磁场下EuCl2的熵变接近GGG在2T下熵变（-ΔSM (2T) ~ 21Jkg-1K-1）的 2倍。此外，得益于EuCl2的大磁熵变，准绝热去磁测量发现，在初始温度和磁场为2K和5T下，EuCl2材料绝热去磁可达到~346mK，并在此温度下能够实现长时间保温。初步测量表明，EuCl2材料在不同初始条件下的保温时间均超过一小时，显著优于在相同工作条件下的其他（包括商用）材料（见图）。

相关研究成果以“A Record-High Cryogenic Magnetocaloric Effect Discovered in EuCl2 Compound”为题发表在Journal of the American Chemical Society [J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 35016−35022]上。并已申请发明专利（专利号：202411518651X）。该工作受到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项和综合极端条件实验装置的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12441

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