Manyetokalorik Etki

Manyetik bir malzeme üzerine etki eden manyetik alanın adyabatik olarak değişimi sonucu malzemenin sıcaklığında gözlenen değişim manyetokalorik etki (MKE) olarak bilinmektedir [1-7].
Bu etki, çevre dostu ısıtma ve soğutma teknolojileri [8-10] ile biyomedikal amaçlı [11]
uygulamalarda büyük bir potansiyele sahip olduğu için, bilim insanlarının dikkatini epey çekmiş olup teorik ve deneysel açıdan geniş ve kapsamlı bir literatür zenginliğine sahiptir. Bu çalışmada MKE’nin teorik temelleri ve bir takım
iyi bilinen malzemelerin manyetik ısıtma/soğutma özellikleri üzerinde durulacaktır.

Manyetik bir malzemenin toplam entropisi $S_{T}$ üç temel katkıdan oluşmaktadır

(1) $\begin{equation*} S_{T}(T,H)=S_{M}(T,H)+S_{e}(T,H)+S_{L}(T,H) \end{equation*}$

Denklem (1)’de ilk terim spin-spin etkileşmelerinden kaynaklanan manyetik katkıyı, ikinci ve üçüncü terimler ise sırası ile elektronik (Sommerfeld) ve örgü titreşimleri (Debye) katkılarını ifade etmektedir.
Manyetokalorik etkinin ardında yatan temel fiziksel mekanizma kısaca şu şekilde özetlenebilir [12]: Termodinamikten biliyoruz ki, adyabatik bir sistemin toplam entropisi her zaman sabittir. Bu nedenle, malzemeye uygulanan dış manyetik alanın
artışı, manyetik dipol momentlerinin birbirleri ile paralel yönelmelerini sağlar. Bu durumda sistemin manyetik düzeni artacağı için manyetik entropi düşer. Bu durumda elektronik ve örgü entropileri artış gösterir ve böylece malzemenin
sıcaklığı yükselmiş olur. Bu aşamada, manyetik malzeme tarafından yayımlanan ısı, izotermal bir süreç yolu ile, termal iletkenliği yüksek bir transfe akışkanı kullanılarak sistemden uzaklaştırılır. Bu işlem sonucunda malzemenin sıcaklığı
bir miktar düşürülmüş olur. Bir sonraki adyabatik süreçte ise, dışarıdan uygulanan manyetik alan kademeli olarak azaltılır. Isısal çalkalanmalardan ötürü bu durum, sistemin manyetik düzeninde bir azalma ve dolayısı ile manyetik entropide bir artışa sebep olur.
Toplam entropi sabit kalacağından, sistemin örgü ve elektronik kaynaklı entropisi azalacaktır. Sonuç olarak manyetik malzemede, adyabatik sıcaklık düşüşü gözlenir. Bu sonuç, çevre dostu soğutma sistemlerinin üretiminde kullanılabilme potansiyeline
sahiptir.

Geçmişte yapılan deneysel çalışmalara göre, ferromanyetik malzemeler içim MKE kritik sıcaklık civarında maksimize olmaktadır [1].
Günümüzde, elementer halde bilinen en iyi MKE davranışı sergileyen malzeme Gd elementi olmakla birlikte ölçülen MKE değerleri
$\Delta T_{ad}=14K$ ( $7T$ alan için) [13,14] ve $2T$ ve $5T$ alan değerleri için $|\Delta S|=6.1, 10.6\mathrm{Jkg^{-1}K^{-1}}$ [15]
şeklindedir. Öte yandan, birinci dereceden faz geçişi sergileyen malzemelerden $\mathrm{Gd_{5}Si_{2}Ge_{2}}$ için ölçülen değerler, elementer haldeki Gd’a kıyasla yaklaşık iki kat daha yüksektir [16].
Çeşitli malzemeler için elde edilen sonuçlara ait detaylı bilgi Franco vd. [12] tarafından yapılan çalışmada bulunabilir.

Teorik olarak, bir manyetik sistemin MKE özelliklerini incelemek için, termodinamik Maxwell bağıntıları kullanılarak hesaplanabilen adyabatik sıcaklık değişimi $\Delta T_{ad}$ ve izotermal entropi değişimi $\Delta S$ gibi fiziksel özelliklerden
yararlanılır,

(2) $\begin{equation*} \Delta T_{ad}=-\int\frac{T}{C_{x}}\left(\frac{\partial M}{\partial T}\right){H}dH, \quad \Delta S{M}=\int \left(\frac{\partial M}{\partial T}\right){H}dH. \end{equation*}$

Denklem (2)’ye göre, sıradan FM malzemeler için manyetizasyon, sıcaklık arttıkça azalacağı için, entropi değişimi daima negatif işaretlidir ve $T=T{c}$ ‘de en büyük entropi değişimi gözlenir. Bir malzemenin manyetokalorik özelliklerini
karakterize etmek amacı ile kullanılan diğer bir fiziksel parametre olan soğutma kapasitesi $(q)$ \cite{gschneidner}

(3) $\begin{equation*} q=-\int_{T_{1}}^{T_{2}}\Delta S_{M}(T){H}dT, \end{equation*}$

eşitliği ile verilir. Denklem (3)’de yer alan $T{1}$ ve $T_{2}$ referans sıcaklıkları, $\Delta S$ ‘nin sıcaklık spektrumunda tanımlanan yarı genişlik değerleridir (bkz. Şekil-1).

Şekil 1: Tipik bir FM malzeme için izotermal entropi değişimi $\Delta S$ ‘nin sıcaklığa bağlı değişimi ve denklem (3) ile verilen soğutma kapasitesi $(q)$ hesabına dair temsili gösterim.

Araştırma grubumuz tarafından MKE odaklı yapılan güncel çalışmalar dahilinde ince film, nanoparçacık ve bulk geometrili sistemlerde, ikili ve üçlü alaşımlarda, salınımlı alanlar varlığında MKE’nin davranışı incelenmektedir.
Konu ile ilgili güncel çalışmalarımızın listesi şu şekildedir:

Y. Yüksel, Ü. Akıncı, “A comparative study of critical phenomena and magnetocaloric properties of ferromagnetic ternary alloys”, J. Phys. Chem. Sol. 112 (2018) 143.
E. Vatansever, Ü. Akıncı, Y. Yüksel, “Non equilibrium magnetocaloric properties of Ising model defined on regular lattices with arbitrary coordination number”, Physica A 479 (2017) 563.
Y. Yüksel, Ü. Akıncı, E. Vatansever, “Influence of modified surface effects on the magnetocaloric properties of ferromagnetic thin films”, Thin Solid Films (baskıda)

[1] A. M. Tishin, Y. I. Spichkin, The Magnetocaloric Effect and its Applications, Institute of Physics 2003.
[2] E. Warburg, Ann. Phys. 13 (1881) 141.
[3] P. Weiss, A. Piccard, J. Phys. (Paris) 7 (1917) 103.
[4] P. Debye, Ann. Phys. 81 (1926) 1154.
[5] W. F. Giauque, J. Am. Chem. Soc. 49 (1927) 1864.
[6] W. F. Giauque, D. P. MacDougall, Phys. Rev. 43 (1933) 768.
[7] A. Smith, Eur. Phys. J. H 38 (2013) 507.

[8] C. Zimm, A. Jastrab, A. Sternberg, V. Pecharsky, K. Gschneidner Jr., M. Osborne, I. Anderson, Adv. Cyrog. Eng. 43 (1998) 1759.
[9] V. Pecharsky, K. Gschneidner Jr., J. Appl. Phys. 86 (1999) 565.
[10] V. Chaudhary and R. V. Ramanujan, Sci. Rep. 6 (2016) 35156.
[11] A. M. Tishin, Magnetic therapy of malignant neoplasms by injecting material particles with high magnetocaloric effect and suitable magnetic phase transition temperature, Patent Number: EP1897590-A1, 2008
[12] V. Franco, J.S. Bl\'{a}zquez, B. Ingale, and A. Conde, Annu. Rev. Mater. Res. 42 (2012) 305.

[13] G. V. Brown, J. Appl. Phys. 47 (1976) 3673.
[14] S. Yu. Dan’kov, A. M. Tishin, V. K. Pecharsky, and K. A. Gschneidner, Jr., Phys. Rev. B 57 (1998) 3478.
[15] K. A. Gschneidner Jr., V. K. Pecharsky, Annu. Rev. Mater. Sci. 30 (2000) 387.

[16] V. K. Pecharsky, K. A. Gschneidner, Jr., Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 4494.