Новый метод настройки магнитных свойств материалов открывает путь к эффективному магнитному охлаждению

Ученые из Токийского университета науки разработали инновационный метод «двойной гетеровалентной элементной замены», позволяющий преодолеть ограничения стехиометрических соединений с фиксированным соотношением элементов. Исследование под руководством профессора Рюдзи Тамуры и доцента Фарида Лабиба опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

Традиционные стехиометрические соединения имеют жестко заданное соотношение элементов, что ограничивает возможность регулирования их магнитных свойств через изменение количества валентных электронов на атом (e/a). Новый метод предполагает частичную замену определенных атомов в материале на другие с похожими размерами и химическими свойствами, что расширяет композиционные возможности и превращает соединения в нестехиометрические.

«Этот подход предлагает мощный способ преобразования магнитно-фрустрированных стехиометрических соединений в нестехиометрические материалы с настраиваемыми магнитными свойствами и сильным магнитокальорическим откликом», — говорит профессор Тамура.

Метод был успешно применен к соединению Ga₅₂Pt₃₄Gd₁₄. Путем частичного замещения галлия и платины золотом ученые синтезировали новое семейство четверных 1/1 приближенных кристаллов квазикристаллов с расширенным диапазоном e/a от 1,60 до 1,83. Полученные материалы демонстрируют дальний ферромагнитный порядок с температурами Кюри от 8,7 K до 14,9 K и сильный магнитокальорический эффект.

Изменение магнитной энтропии (ΔS_m) достигло −8,7 Дж/К·моль-Gd, что сравнимо с лучшими редкоземельными магнитокальорическими материалами. Это делает их перспективными для магнитного охлаждения, особенно в криогенных системах и квантовых вычислениях, где требуются гелий-фри решения для охлаждения.

Метод может быть применен к другим парам элементов (Cu/Mg, Ca/Pb, Ag/Pd) при условии схожести размеров атомов, валентных электронов и электроотрицательности. Это открывает новые возможности для проектирования материалов с заданными магнитными свойствами и температурами перехода, в том числе с использованием более дешевых металлов вместо драгоценных.