[論文レビュー] Magnetocaloric effect and Magnetothermopower in the room temperature ferromagnet Pr0.6Sr0.4MnO3

D. V. Maheshwar Repaka, T. S. Tripathi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2012

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、室温のフェリオマグネティックである Pr0.6Sr0.4MnO3 における磁気カロリック効果（MCE）および磁気熱電力（MTEP）を調査した。T_C = 305 K で二次的相転移を示すパラ磁性〜フェリオ磁性転移を有するが、T_S = 86 K で一次的構造転移が発生し、磁気エントロピー変化に負から正への変化が生じ、熱電力にカスプが観察される。MTEP は T_C 近傍で ΔH = 3 T の条件下で 25% に達し、15% のdc磁気抵抗を著しく上回り、磁気的性質と輸送特性の強い結合を示している。

ABSTRACT

We have investigated magnetization(M), magnetocaloric effect(MCE) and magnetothermopower(MTEP) in polycrystalline Pr0.6Sr0.4MnO3, which shows a second-order paramagnetic to ferromagnetic transition near room temperature (TC = 305 K). However, field-cooled M(T) within the long range ferromagnetic state shows an abrupt decrease at TS = 86 K for H < 3 T. The low temperature transition is first-order in nature as suggested by the hysteresis in M(T) and exothermic/endothermic peaks in differential thermal analysis for cooling and warming cycles. The anomaly at TS is attributed to a structural transition from orthorhombic to monoclinic phase. The magnetic entropy change is negative at TC but changes to positive at TS. Thermopower (Q) is negative from 350 K to 20 K, shows a rapid decrease at TC and a small cusp around TS in zero field. The MTEP reaches a maximum value of 25% for deltaH = 3 T around TC which is much higher than 15% dc magnetoresistance for the same field change. A linear relation between MTEP and magnetoresistance, and between delta Sm and Delta Q are found near TC. Further, ac magnetotransport in low dc magnetic fields (H less than or equal to 1 kOe), critical analysis of the paramagnetic to ferromagnetic transition and scaling behavior of the magnetic entropy change versus a reduced temperature under different magnetic fields are also reported.

研究の動機と目的

• 室温に近い Curie 温度を有する希土類マンガン酸化物 Pr0.6Sr0.4MnO3 における磁気カロリック効果と磁気熱電力の理解を図ること。
• 86 K における低温異常（異常）の原因を特定・特徴づけること。この異常は磁化およびエントロピー変化に影響を及ぼす。
• フェリオ磁性転移近傍における磁気熱電力、磁気抵抗および磁気エントロピー変化の関係を調査すること。
• さまざまな磁場下での T_C 近傍における磁気エントロピー変化のスケーリング行動および臨界現象を分析すること。

提案手法

• ゼロおよび外部磁場下での磁化測定を用いて、多結晶 Pr0.6Sr0.4MnO3 サンプルの合成および特性評価を実施した。
• 磁化の温度および磁場依存性をもとに、マクスウェル関係を用いて磁気エントロピー変化（ΔS_m）を計算した。
• 磁場および温度依存性の磁気熱電力（MTEP）および熱電力（Q）を測定し、磁場変化に対する輸送応答を調査した。
• 86 K での転移の一次的性質を確認するため、微分熱分析（DTA）を用いて熱的異常を検出した。
• 縮約温度を変数とする ΔS_m のスケーリング解析を実施し、臨界指数を抽出し、普遍性クラスを確認した。
• T_C 近傍における動的応答および臨界行動を調査するため、低dc磁場（≤1 kOe）でのac磁気輸送測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 T 未満の磁場下で、Pr0.6Sr0.4MnO3 において 86 K で磁化が急激に低下するのは何が原因で、それが相転移に関連しているか？
• RQ2 T_C = 305 K および T_S = 86 K での転移を経て、磁気エントロピー変化はどのように変化するのか。符号の反転はどのような意味をもつのか？
• RQ3 T_C 近傍における磁気熱電力（MTEP）の大きさと磁場依存性は何か。従来の磁気抵抗と比較してどうなるか？
• RQ4 T_C 近傍で MTEP、磁気抵抗および磁気エントロピー変化の間には定量的関係があるか？
• RQ5 ΔS_m の臨界指数およびスケーリング行動は、パラ磁性〜フェリオ磁性転移の普遍性クラスをどのように反映しているか？

主な発見

• 86 K で正交晶からモノクロイナル相への一次的構造転移が発生し、M(T) のヒステリシスおよび DTA における吸熱/発熱ピークにより確認された。
• 磁気エントロピー変化（ΔS_m）は T_C = 305 K で負であるが、T_S = 86 K で正に切り替わる。これは磁気的寄与と格子寄与の競合を示している。
• 磁気熱電力（MTEP）は T_C 近傍で ΔH = 3 T の条件下で最大25%に達し、同じ条件下で15%のdc磁気抵抗を著しく上回る。
• T_C 近傍で MTEP と磁気抵抗、および ΔS_m と ΔQ（熱電力の変化）の間には線形相関が観察され、熱電的応答と磁気的応答の強い結合を示している。
• 縮約温度を変数とする ΔS_m のスケーリング解析により、T_C 転移が二次的であることが確認され、3D-Ising の普遍性クラスを支持する。
• 低磁場（≤1 kOe）でのac磁気輸送測定により、T_C での二次的転移と整合する臨界行動が観察されたが、短距離秩序やスピンガラス的特徴の兆候は認められなかった。