[論文レビュー] i-Caloric Effects: a proposal for normalization

William Imamura, L. S. Paixão+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、磁気効果、電気効果、機械的効果（応力、圧力、ねじり力）を含む、i-カロリック効果（磁気カロリック、電気カロリック、機械カロリック）を統一的に扱う標準化されたフレームワークを提案する。用語、熱力学的定義、性能指標を統一することで、異なるi-カロリック効果間の公平な比較を可能にし、固体状態冷却応用のための材料探索を加速する。

ABSTRACT

Solid-state cooling based on i-caloric effects is considered the most promising alternative to replace the conventional vapor-compression refrigeration systems. It is possible to define an i-caloric effect as a thermal response registered in a material upon the application of an external field, characterized by an adiabatic temperature change (ΔT_S) or an isothermal entropy change (ΔS_T). Depending on the nature of the external field (magnetic field, electric field or stress field), the i-caloric effects can be categorized as magnetocaloric effect, electrocaloric effect, and mechanocaloric effect. We can still subdivide mechanocaloric effect in: elastocaloric effect, driven by uniaxial stress; barocaloric effect, driven by isotropic stress (pressure); and torsiocaloric effect, driven by a torque in a prismatic bar, causing a pure shear stress of torsion. The study of i-caloric effects dates from the beginning of 19th century. Nevertheless, due to the independent development of investigations on each effect, there are no stablished standards regarding terminology or results evaluation up to now, making the understanding quite challenging for the community. In this context, we present a proposal for normalization of i-caloric effects, considering different aspects, such as nomenclature, thermodynamics and figures of merit.

研究の動機と目的

• i-カロリック効果間における標準化された用語法と評価指標の欠如が、異なる効果間の比較や材料スクリーニングを妨げているという問題に対処する。
• 磁気カロリック、電気カロリック、機械カロリック効果の用語と熱力学的定義を、共通のフレームワークの下で統一する。
• 異なる材料系や外部場に応じたi-カロリック性能を評価するための一貫した性能指標（指標）を提案する。
• 研究コミュニティにおける信頼できるベンチマークとデータ共有を可能にすることで、固体状態冷却技術の開発を促進する。

提案手法

• 外部場の種別（磁場、電場、機械的応力（応力、圧力、ねじり力））に基づいてi-カロリック効果を分類する統一的用語法を提案する。
• 断熱温度変化（ΔT_S）と等温エントロピー変化（ΔS_T）といったコアな熱力学的量を、すべてのi-カロリック効果に共通する記述子として定義する。
• 異なるi-カロリック効果間での公平な比較を可能にするために、単位外部場あたりのΔS_Tなどの正規化された性能指標を導入する。
• 機械カロリック効果を、一軸応力に起因する弾性カロリック、等方的圧力に起因する圧力カロリック、ねじり剪断応力に起因するねじりカロリックの3つの亜型に分類する。
• エントロピーと温度応答の基本的原則に従い、すべてのi-カロリック効果に適用可能な一貫した熱力学的形式を確立する。
• 再現性とデータの比較可能性を向上させるために、標準化された指標を用いた実験データの報告ガイドラインを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部場の種別に応じて、i-カロリック効果をどのように一貫して命名・分類できるか？
• RQ2 多様なi-カロリック材料の性能を評価・比較するために、どのような共通の熱力学的記述子が有効か？
• RQ3 磁気カロリック、電気カロリック、機械カロリック効果間で公平なベンチマークを実現するために、どのような標準化された性能指標が必要か？
• RQ4 研究コミュニティにおける再現性とデータ共有を向上させるために、i-カロリックデータの報告をどのように正規化できるか？
• RQ5 統一的フレームワークが、固体状態冷却技術の開発をどのように加速するか？

主な発見

• 本稿は、外部場の種別（磁場、電場、機械的応力）に基づいてi-カロリック効果を分類する統一的用語法を確立し、磁気カロリック、電気カロリック、および3つの亜型（弾性カロリック、圧力カロリック、ねじりカロリック）を含む機械カロリック効果をカバーする。
• 断熱温度変化（ΔT_S）と等温エントロピー変化（ΔS_T）を、すべてのi-カロリック効果に適用可能な普遍的な熱力学的記述子として定義する。
• 異なるi-カロリック効果間での性能比較を可能にするために、単位外部場あたりのΔS_Tなどの正規化された性能指標を提案する。
• 本フレームワークにより、一貫したデータ報告とベンチマーク手法が可能となり、i-カロリック材料研究における曖昧さの低減と再現性の向上が達成される。
• 正規化アプローチは、固体状態冷却応用向けの新規材料の合理的な設計とスクリーニングを支援する。
• 提案された標準化は、エネルギー効率が高く、環境に優しい冷却技術の開発と実用化を加速すると予想される。