[論文レビュー] The physical nature of "giant" magnetocaloric and electrocaloric effects

Vitaly Vodyanoy, Yuri Mnyukh|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2010

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、常識的結晶から配向無秩序結晶（ODC）状態への構造的相転移に伴う顕在熱の放出が、『巨大』な磁気カロリック効果および電気カロリック効果を生じると提案している。粒子が熱運動によって回転するODC状態に移行する際、強磁性または強誘電性が外部磁場または電場によってこの相転移を引き起こすことができ、一次相転移の性質に起因して大きなエントロピー変化が生じる。

ABSTRACT

Physical nature of "giant" magnetocaloric and electrocaloric effects, MCE and ECE, is explained in terms of the new fundamentals of phase transitions, ferromagnetism and ferroelectricity. It is the latent heat of structural (nucleation-and-growth) phase transitions from a normal crystal state to the orientation-disordered crystal (ODC) state where the constituent particles are engaged in thermal rotation. The ferromagnetism or ferroelectricity of the material provides the capability to trigger the structural phase transition by application, accordingly, of magnetic or electric field.

研究の動機と目的

• 特定の材料で観測された『巨大』な磁気カロリック効果および電気カロリック効果の物理的起源を説明すること。
• これらの効果に伴う大きなエントロピー変化の微視的メカニズムについての理解不足を解消すること。
• 配向無秩序結晶（ODC）状態を含む新たな相転移の枠組みと現象を結びつけること。
• 強磁性／強誘電性と外部場による構造的相転移の誘発能力との関係を確立すること。
• 核生成と成長の相転移過程における顕在熱放出に基づく統一的物理的説明を提供すること。

提案手法

• 粒子が熱的回転を示す配向無秩序結晶（ODC）状態への常識的結晶からの相転移メカニズムを分析する。
• 特に核生成過程を伴う一次相転移に関連する顕在熱の概念を適用する。
• 強磁性または強誘電性が外部磁場または電場による構造的相転移の誘発を可能にする役割を提示する。
• 実験で観測された大きなエントロピー変化を説明するため、相転移の理論的モデリングを用いる。
• 特に相転移の熱力学および対称性の破れに注目した凝縮系物理学の基本的原則に依拠する。
• 系のエネルギー状態の分布を検討し、ODC状態への移行に伴う顕在熱の放出に特に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の材料における『巨大』な磁気カロリック効果および電気カロリック効果の物理的起源は何か？
• RQ2 磁場または電場は、これらの系でどのように大きなエントロピー変化を引き起こすのか？
• RQ3 配向無秩序結晶（ODC）状態への構造的相転移は、これらの効果の生成に果たす役割は何か？
• RQ4 なぜこれらの効果は、従来のカロリック効果と比較して異常に大きなエントロピー変化を示すのか？
• RQ5 相転移の顕在熱は、観測されたカロリック応答の大きさとどのように関係しているのか？

主な発見

• 『巨大』な磁気カロリック効果および電気カロリック効果は、配向無秩序結晶（ODC）状態への一次相転移に伴う顕在熱の放出に起因する。
• ODC状態は、粒子が熱的回転を示すことで特徴づけられる無秩序相である。
• 強磁性または強誘電性が、外部磁場または電場による相転移の誘発に必要な結合を提供する。
• 相転移の核生成と成長メカニズムが、観測された大きなエントロピー変化の中心的役割を果たす。
• カロリック効果の大きさは、従来のスピンや双極子の再配列とは異なり、構造的相転移の顕在熱に直接関連している。
• このモデルは、相転移の一次的性質に起因して、特定の材料が異常な大きなカロリック応答を示す理由を説明できる。