[論文レビュー] Direct magnetocaloric effect measurement technique in alternating magnetic fields

A. M. Aliev|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2014

Shape Memory Alloy Transformations参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、交流磁場における磁熱効果（MCE）の新規直接測定技術を提示する。この技術により、10⁻³ K未満の高感度（10⁻³ K未塔）、弱い磁場（数十オエルステッド）下での測定、および小形サンプル（1×1×0.01 mm³まで）への適用が可能となる。本手法は、GdおよびNi-Mn-Inヘウスラー合金について50 HzまでMCEを測定し、高精度で応用可能性を示し、先進的な磁熱効果材料研究に貢献する。

ABSTRACT

A method for direct measurement of the magnetocaloric effect (MCE) in alternating magnetic fields is offered. Main advantages of the method compared to a classical direct one are the high temperature sensitivity (better than 10-3 K); the ability of measuring of MCE in weak magnetic fields (by several tens oersteds and higher); the ability of measuring of MCE on small-sized samples (1x1x 0.01 mm3 and larger); the ability of measuring of MCE in alternating magnetic fields up to 50 Hz of frequency. The results on measurement of MCE on Gd and Ni-Mn-In Heusler alloy are reported.

研究の動機と目的

• 交流磁場下での磁熱効果（MCE）を直接、高感度に測定する手法の開発を目的とする。
• 特に感度および小形・弱反応性サンプルへの適用性に制限を受ける古典的手法の課題を克服することを目的とする。
• 磁場が数十オエルステッド程度の弱い磁場下でも、50 Hzまでの周波数で正確なMCE測定を可能とすることを目的とする。
• GdおよびNi-Mn-Inヘウスラー合金といった基準材料を用いて、手法の妥当性を検証することを目的とする。
• 磁気冷媒応用を想定した先進的磁熱効果材料の開発を支援することを目的とする。

提案手法

• 本手法は、振動磁場下で直接カルリメトリックなアプローチを採用し、MCEに伴う微小な熱変化を感受性の高い温度センサーで検出する。
• 熱的ノイズを低減し、温度分解能を向上させるために、特別に設計されたクライオスタットおよび熱的遮断構造を用いる。
• サンプルに交流磁場（最大50 Hz）を印加しつつ、高精度の熱電対または温度計で発生する温度変化を測定する。
• 信号を磁場サイクルと同期させ、位相ロック検出を用いてネットMCE寄与を抽出する。
• 正確性と再現性を確保するため、既知のMCEを有する基準材料を用いてシステムをキャリブレーションする。
• 1×1×0.01 mm³まで小形のサンプルへの適用が可能であり、薄膜およびナノ構造材料に対しても適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交流磁場下で、ミリケルビン未満の感度で磁熱効果（MCE）を直接測定可能か？
• RQ2 本手法は、弱磁場（数十オエルステッド）および小形サンプルにおけるMCEをどの程度解像可能か？
• RQ3 感度および周波数応答の観点から、古典的手法と比較して、本手法の性能はいかに優れているか？
• RQ4 GdおよびNi-Mn-Inヘウスラー合金について、50 Hzまでの交流磁場下で測定可能なMCEはどの程度か？
• RQ5 磁気的エントロピー変化が小さい、またはサンプル寸法が小さい材料に対しても、本手法は信頼性のあるMCE測定を可能にするか？

主な発見

• 本手法は、10⁻³ K未満の温度感度を達成し、古典的手法に比べ顕著に向上した。
• 本手法は、数10オエルステッド程度の弱い磁場下でも、信頼性のあるMCE測定を可能とし、適用可能な材料の範囲を拡大した。
• GdおよびNi-Mn-Inヘウスラー合金への測定が成功し、希土類元素およびヘウスラー系材料の両方において手法の有効性が確認された。
• 本システムは、磁場周波数が50 Hzまでで効果的に動作し、時間変化する磁場下でのMCEの動的特性評価が可能となった。
• 1×1×0.01 mm³までの小形サンプルへの適用が可能であり、薄膜およびナノ構造材料の測定に適している。
• 結果から、本手法は交流磁場下でMCEを強固に直接測定可能であり、今後の磁気冷媒材料開発を支援するものであることが示された。