[論文レビュー] Basics of the magnetocaloric effect

Vittorio Basso|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2017

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 88被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、磁性体における磁気カロリック効果（MCE）を理解するための包括的な熱力学的枠組みを提供し、2次および1次相転移の両方を焦点としている。1次相転移におけるヒステリシスと不可逆性を記述するため、内部変数を用いたプレイサッハ型モデルを導入し、実験的ヒステリシにもかかわらず、エントロピー変化および磁気カロリック応答の正確な予測を可能にした。これにより、磁気冷媒サイクルの信頼できる設計が可能になった。

ABSTRACT

This chapter reviews the basic physics and thermodynamics that govern magnetocaloric materials. The thermodynamics of magnetic materials is discussed by introducing relevant free energy terms together with their microscopic origin leading to a discussion of the sources of entropy that can change in an applied magnetic field. Such entropies account for measurable magnetocaloric effects, especially in the vicinity of magnetic phase transitions. Particular attention is devoted to first order magnetic transitions that involve the coupling of spin, lattice, electronic and anisotropic magneto-crystalline degrees of freedom. The problem of irreversibility and hysteresis, present in magnetocaloric materials with first order phase transitions is discussed in the context of out-of-equilibrium thermodynamics and hysteresis modeling.

研究の動機と目的

• 磁性体における磁気カロリック効果に、特に磁性相転移付近での根本的な熱力学的基盤を確立すること。
• 標準的なマクスウェル関係式を用いたエントロピー変化の推定が妨げられる、1次磁性相転移におけるヒステリシと不可逆性の課題に対処すること。
• 内部変数とプレイサッハ形式を用いた、非平衡状態の相共存とエントロピー生成を記述する熱的に整合性のあるモデルの開発。
• 室温における磁気冷媒技術を目的とした、アクティブ磁気リジェネラティブサイクル（AMRC）における磁気カロリック特性および性能の信頼できる予測を可能にすること。

提案手法

• 磁化強度 M、体積 v、温度 T の関数としての比自由エネルギー f(M, v, T) を用いて、磁場、圧力、温度の共役変数を含む磁性体の平衡熱力学を導出する。
• 実験的 M(H, T) データからエントロピー変化を計算するためのマクスウェル関係式 Δs = −∫(∂M/∂T)_H dH を適用するが、ヒステリック系ではその適用が失敗することを検証する。
• 1次相転移における相共存状態を表す内部変数 b(gc) を持つプレイサッハ型モデルを導入する。
• 強度変数 H、T、および状態線 b(gc) に依存するギブズ自由エネルギー g(H, T, b(gc)) を用い、エントロピーと磁化を偏微分により導出する。
• エントロピー生成の速度を T(ds_i/dt) = 2∫[z − b(gc)]p(gc, b(gc)) (∂b/∂t) dgc としてモデル化し、相転移過程における不可逆的プロセスを捉える。
• Gd5(Si x Ge1−x)4 や Gd5Si2Ge2 といった実際の材料にモデルを適用し、M(H, T) データのフィッティングと Δs および AMRC 性能の予測を実施。物理的に不自然なスパイクは発生しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いヒステリシを示す1次磁性相転移を示す材料において、磁気カロリック効果を一貫して記述する方法は何か？
• RQ2 磁気的および熱的ヒステリシが存在する状況でも、エントロピー変化 Δs を正確に計算できる熱力学的枠組みは何か？
• RQ3 内部変数 b(gc) を持つプレイサッハモデルを、磁気カロリック材料における非平衡相共存およびエントロピー生成の記述にどのように応用できるか？
• RQ4 実験的ヒステリシが存在するにもかかわらず、Gd5Si2Ge2 などの材料におけるアクティブ磁気リジェネラティブサイクル（AMRC）の性能をモデルが予測できるか？
• RQ5 構造的不規則性（gc で表される）および有効力 z が、相分率および磁気カロリック応答に果たす役割は何か？

主な発見

• 内部変数 b(gc) を持つプレイサッハモデルは、1次磁気カロリック材料における非平衡相共存およびヒステリシを効果的に捉えている。
• マクスウェル関係式による Δs の計算で生じる物理的に不自然なスパイクを、物理的に整合性のあるヒステリック M(H, T) モデルへの置き換えによって排除した。
• エントロピー生成が明示的に T(ds_i/dt) = 2∫[z − b(gc)]p(gc, b(gc)) (∂b/∂t) dgc として記述され、相転移過程における不可逆的エントロピー生成が示された。
• Gd5(Si x Ge1−x)4 に対して実験的 M(H, T) データを正確に再現し、アーティファクトのない Δs を予測した。このことは、熱力学的サイクル設計への応用可能性を検証するものである。
• モデルを用いたアクティブ磁気リジェネラティブサイクル（AMRC）の性能予測は一貫性を示し、室温における磁気冷媒技術の実現可能性を示した。
• b(gc) を状態変数として扱うことで、ヒステリック材料に対する信頼できる熱力学的解析が可能となり、古典的平衡熱力学を非平衡状態へと拡張した。