科研人員發現新型極低溫磁制冷材料

近日，中國科學院金屬研究所研究員李昺、中國科學院物理研究所副研究員項俊森等合作，發現了一種新型極低溫磁制冷材料——鐵磁性NH4GdF4。該研究成果表明，鐵磁性材料是推進極低溫磁制冷技術的一條可行路線。相關論文發表于《美國化學會志》。

極低溫制冷技術在量子計算、空間探測等高技術領域以及基礎物理研究領域均起到不可替代的重要作用。目前，極低溫制冷技術主要有3He吸附制冷、3He/4He 稀釋制冷和絕熱退磁制冷。當前，全球范圍內3He資源的嚴重短缺為極低溫磁制冷技術的發展帶來新機遇。盡管以鎵酸釓石榴石晶體Gd3Ga5O12（GGG）為代表的一系列極低溫磁制冷材料均已實現應用，但其反鐵磁基態的物理本質決定了它們必須依賴超導磁體產生的高磁場。而超導磁體體積大且磁屏蔽系統極為復雜，為空間應用帶來諸多挑戰。

針對上述問題，科研人員一直致力于研制超低磁場驅動的磁制冷新材料。在前期研究中，團隊發現了在4K溫區具有優異性能的鐵磁性LiHoF4晶體，其在5kOe磁場下磁熵變高達16.7 J kg-1K-1。在此基礎上，團隊進一步發現了在極低溫溫區具有鐵磁性的NH4GdF4 材料，其各項性能大幅超越GGG，為緊湊型、輕量化極低溫磁制冷系統研發奠定了材料基礎。NH4GdF4在 Tc=0.85K時發生鐵磁性轉變，其鐵磁態具有大磁矩和低磁晶各向異性，可在小磁場下實現磁化飽和。

研究表明，NH4GdF4有望取代GGG成為極低溫溫區磁制冷的新材料，并能夠大幅減少制冷系統的體積和重量。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c10979