[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出，'巨大'磁卡效应和电卡效应源于从正常晶体向取向无序晶体（ODC）态的结构相变过程中释放的潜热，其中粒子经历热旋转。铁磁性或铁电性使外部磁场或电场能够触发此相变，由于该相变为一级相变，因而导致显著的熵变。

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.

研究动机与目标

• 解释在某些材料中观测到的'巨大'磁卡效应和电卡效应的物理起源。
• 解决关于这些效应中大熵变微观机制理解不足的问题。
• 将这些现象与涉及取向无序晶体（ODC）态的新相变框架联系起来。
• 建立铁磁性/铁电性与外部场触发结构相变能力之间的联系。
• 基于成核与生长相变过程中潜热释放，提供统一的物理解释。

提出的方法

• 分析从正常晶体到取向无序晶体（ODC）态的相变机制，其中粒子表现出热旋转。
• 应用与一级结构相变相关的潜热概念，特别是成核与生长过程。
• 引入铁磁性或铁电性在使外部磁场或电场诱导结构相变中所起的作用。
• 利用相变的理论模型解释实验中观测到的大熵变。
• 依赖凝聚态物理的基本原理，特别是相变热力学和对称性破缺。
• 考虑系统的能量景观，强调向ODC态转变过程中潜热的释放。

实验结果

研究问题

• RQ1 某些材料中'巨大'磁卡效应和电卡效应的物理起源是什么？
• RQ2 磁场或电场如何在这些系统中诱导大熵变？
• RQ3 向取向无序晶体（ODC）态的结构相变在产生这些效应中起什么作用？
• RQ4 为何这些效应表现出与传统卡诺效应相比异常大的熵变？
• RQ5 相变的潜热与观测到的卡诺响应大小之间有何关系？

主要发现

• '巨大'磁卡效应和电卡效应源于一级结构相变至取向无序晶体（ODC）态过程中释放的潜热。
• ODC态的特征是粒子经历热旋转，这定义了无序相。
• 铁磁性或铁电性提供了与外部磁场或电场耦合的必要条件，以触发相变。
• 相变的成核与生长机制是观测到大熵变的核心。
• 卡诺效应的大小与结构相变的潜热直接相关，而非传统自旋或偶极子重取向。
• 该模型解释了为何某些材料因相变的一级特性而表现出异常大的卡诺响应。