Используя магнитное поле, можно охлаждать некоторые вещества. Бразильские ученые обнаружили новый способ резко повысить эффективность такого магнитного охлаждения - наложение внешнего давления.

Магнитное охлаждение впервые было применено на практике еще в начале тридцатых годов прошлого века. С помощью адиабатического размагничивания парамагнитных солей удалось понизить температуру до десятых долей Кельвина. В основе магнитного охлаждения лежит тот факт, что, хотя в процессе медленного изменения магнитного поля не происходит изменение общей энтропии вещества (не происходит теплообмена с окружающей средой), происходит ее перераспределение между различными подсистемами (магнитной и кристаллической решеткой с электронами). А именно, при уменьшении магнитного поля происходит разориентация магнитных моментов атомов, чему, очевидно, соответствует увеличение энтропии, что должно быть компенсировано уменьшением энтропии, связанной с кристаллической решеткой и электронной подсистемой. Такое уменьшение эквивалентно отводу тепла от тела, т.е. понижению его температуры. Максимально эффективно охлаждение происходит в том случае, когда температура близка к температуре перехода из магнитоупорядоченного в неупорядоченное состояние (температуре, при которой происходит фазовый переход).

До конца девяностных годов прошлого века магнитное охлаждение использовалось только при низких температурах, однако затем было обнаружено, что ряд соединений может демонстрировать "гигантский" магнитокалорический эффект в широком температурном диапазоне - вплоть до комнатной температуры (температуру, при которой происходит фазовый переход, можно изменять, меняя состав соединения). Соответственно, магнитное охлаждение стало возможным использовать и при комнатной температуре, и были созданы экспериментальные экземпляры магнитных охлаждающих устройств, работающих при комнатной температуре. Конечно, необходимость использования достаточно сильных магнитных полей (порядка нескольких Тесла) сильно ограничивает область применения таких охлаждающих устройств, но, тем не менее, они могут быть удобны для некоторых приложений.

Рис.1. Магнитокалорический эффект как функция температуры и давления.

Обычно магнитный фазовый переход (например, переход ферромагнетик - парамагнетик для железа) является фазовым переходом второго рода, но для демонстрирующих гигантский магнитокалорический эффект соединений имеет место магнитный фазовый переход первого рода (фазовые переходы первого рода происходят с поглощением (выделением) теплоты, пример - плавление (кристаллизация) веществ). Помимо магнитного фазового перехода, также происходит структурный фазовый переход - происходит перестройка кристаллической решетки, что говорит о взаимосвязи этих переходов. Рекордсменом среди веществ, демонстрирующих гигантский магнитокалорический эффект, является MnAs (температура Кюри - 318 K), для которого при изменении поля на 5 Тл происходит изменение энтропии в 40 Дж/(кг К). Бразильские ученые провели эксперименты с MnAs под давлением в несколько кбар и установили, что при давлениях порядка 2 кбар эффект становится гораздо более сильным (что и дало повод назвать его "колоссальным") [1]. Изменение энтропии достигает 267 Дж/(кг К) при температуре 281 К и давлении 2.23 кбар (рис.1).

Это наблюдение интересно и само по себе, но еще более интересным его делает тот факт, что данная величина в разы превосходит теоретическую оценку величины эффекта, полученную на основе обычных предположений, когда магнитная подсистема и кристаллическая решетка считаются независимыми друг от друга (т.е. происходит "перекачка" энтропии из одной независимой подсистемы в другую). Величина изменения энтропии также слишком велика, чтобы ее можно было бы связатьс теплотой фазового перехода. Такое необычное положение, по предположению ученых, связано с тем, что, вследствие наличия сильного магнитоупругого взаимодействия (связи магнитной подсистемы с кристаллической решеткой, о возможных нетривиальных следствиях такой связи см., например, нашу новость "Магнетизм против ангармонизма") в MnAs, вклады в общую энтропию вещества магнитной подсистемы и кристаллической решетки нельзя считать независимыми.

С точки же зрения практики главное другое: эксперименты бразильских ученых показывают использование давления может существенно повысить эффективность работы магнитных охлаждающх устройств, работающих при комнатной температуре.

1. Sergio Gama, Adelino A. Coelho, Ariana de Campos, Magnus G. Carvalho, Flavio C.G.Gandra, Pedro J. von Ranke, Nilson A de Oliveira. Phys.Rev.Lett, v.93, 237202 (2004).

Е.Онищенко