Гадолиний и его сплавы уже давно привлекают внимание исследователей благодаря одному из самых значительных магнетокалорических эффектов среди чистых металлов. Магнетокалорический эффект — это способность материала изменять свою температуру при приложении или снятии внешнего магнитного поля. Именно на этом принципе основана технология магнитного охлаждения, которая рассматривается как перспективная альтернатива традиционным компрессионным холодильным машинам. Однако, несмотря на многолетние исследования, практическое внедрение магнетокалорических материалов сталкивается с рядом ограничений, и поиск способов управления этим эффектом остается актуальной задачей.

Традиционным методом модификации свойств гадолиния является легирование — введение атомов других элементов, таких как железо, кремний или бор. Однако этот «химический» подход в значительной степени исчерпал себя: механизмы влияния примесей на магнетокалорический эффект часто остаются неясными, а наличие множества одновременно действующих факторов затрудняет интерпретацию результатов. В связи с этим все больший интерес вызывает альтернативный подход — механическое воздействие на материал, которое может изменять его магнитные свойства без изменения химического состава.

Именно этому направлению посвящена работа коллектива исследователей, в которой изучается влияние упругой обратимой деформации на магнитные свойства и магнетокалорический эффект в микропроволоках из гадолиния.

Объект исследования: гадолиниевые микропроволоки

Выбор гадолиниевых микропроволок в качестве объекта исследования не случаен. Гадолиний демонстрирует рекордные значения магнетокалорического эффекта среди чистых металлов, а его микропроволочная форма открывает дополнительные возможности для создания композитных материалов с высокой теплопроводностью, необходимой для эффективного отвода тепла. Кроме того, переход к микромасштабу сопровождается изменением магнитных свойств материала и появлением фаз, которые не образуются или нестабильны в массивных образцах. Это делает микропроволоки удобной модельной системой для изучения фундаментальных механизмов.

Основные результаты

В ходе исследования было установлено, что упругая деформация гадолиниевых микропроволок приводит к ряду взаимосвязанных изменений их магнитных свойств.

Прежде всего, деформация индуцирует магнитную анизотропию — направленную зависимость магнитных свойств от ориентации кристаллографических осей. Возникновение анизотропии подавляет спин-переориентационный переход, который в недеформированном образце наблюдается вблизи 260 К и сопровождается характерным изменением магнитной энтропии. Одновременно с этим деформация приводит к возрастанию магнитной энтропии в области 300 К. Важно отметить, что наблюдаемые эффекты не зависят от знака деформации — как растяжение, так и сжатие приводят к сходным изменениям.

Механизм наблюдаемых явлений

Ключевым результатом работы является установление физической причины, лежащей в основе деформационно-индуцированных изменений. Авторы связывают наблюдаемые эффекты с изменением вклада спин-орбитального взаимодействия, которое определяет связь между спиновой и орбитальной компонентами магнитного момента ионов гадолиния. Поскольку спин-орбитальное взаимодействие чувствительно к изменениям межатомных расстояний, деформация напрямую модулирует этот вклад, что, в свою очередь, изменяет величину магнитной анизотропии и, как следствие, магнетокалорический эффект.

Сравнение магнитной анизотропии в микропроводах до и после их деформации, а также пересчет в анизотропию одного атома и его спин-орбитальную константу показывает, что изменение орбитального вклада ионов при их удалении друг от друга является основным механизмом, определяющим все наблюдаемые изменения магнитных свойств при деформации.

Изменение критического поведения

Отдельного внимания заслуживает анализ критических индексов, описывающих поведение материала вблизи точки фазового перехода. Величина этих параметров говорит о топологии упорядочения спинов и позволяет различать плоские, объемные и другие ансамбли спинов, соединенных обменным взаимодействием в плоскости, в трехмерном пространстве и др. Для недеформированных микропроволок экспериментальные данные хорошо описываются трехмерной моделью, которая предполагает изотропный обмен между магнитными моментами в 3D решекте. Однако при наложении деформации к трехмерному порядку подмешиваются ансамбли спинов с плоским (изинговским) упорядочением. Это указывает на то, что деформация разбивает коллективы спинов на пластины, внутри которых спины «склеены» обменным взаимодействием.

Значение работы и перспективы

Данное исследование представляет собой первый шаг в систематическом изучении влияния отдельных стадий деформации на магнетокалорический эффект. Авторы акцентируют внимание на том, что в отличие от пластической деформации, сопровождающейся генерацией дислокаций, вакансий и других структурных дефектов, изученная ими упругая деформация является обратимой и не приводит к необратимым изменениям микроструктуры. Это позволяет четко выделить вклад изменения межатомных расстояний и связанного с ним спин-орбитального взаимодействия, исключая влияние дефектов. Подавляющее большинство работ о влиянии механической деформации на магнитокалорический эффект не различало упругой и пластической деформации, хотя обратимость механического воздействия, очевидно, является главным условием для многоцикловой работы холодильника.

Практическая значимость работы заключается в том, что она открывает возможность деформационной инженерии магнетокалорических материалов. Создание гибридных устройств, в которых циклическое охлаждение достигалось бы за счет периодической деформации рабочего тела при одновременном переключении магнитного поля, могло бы существенно улучшить характеристики магнитных холодильных машин. Кроме того, полученные результаты предоставляют основу для микроскопической интерпретации наблюдаемых эффектов, что делает возможным прогнозирование свойств материалов при механических воздействиях.

Таким образом, работа демонстрирует, что упругая деформация гадолиниевых микропроволок является эффективным инструментом управления их магнитными свойствами и магнетокалорическим эффектом. Основной механизм этого управления связан с изменением вклада спин-орбитального взаимодействия в магнитную анизотропию, что приводит к подавлению спин-переориентационного перехода, изменению магнитной энтропии и модификации критического поведения материала. Полученные результаты создают основу для дальнейшего изучения влияния других стадий деформации и открывают новые перспективы для деформационной инженерии в области магнитного охлаждения.

Отметим, что обычный холодильник тоже использует механическую работу, в этом смысле механическая деформация ферромагнетика работает точно также, как в обычном холодильнике. Только вместо взаимодействия молекул в жидкости фреона, теперь обменные взаимодействия между спинами кристаллической решетки являются средой, подверженной «конденсации» (когда возникает ферромагнетизм) или «испарению» (когда спины независимы в парамагнитном состоянии). Эта аналогия говорит о том, что механо-магнитный холодильник является термодинамически тем же устройством, к которому мы привыкли.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Р.Моргунов, С. Кашин, а также коллеги из инновационного центра «Сколково»

R.B. Morgunov, .N. Kashin, A.I. Chernov // Magnetic anisotropy and magnetocaloric effect increased under elastic deformation of Gd microwires // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 648, IF=3,0

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2026.174109