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Giant multiple caloric effects in charge transition ferrimagnet

電荷秩序を持つフェリ磁性体における巨大マルチ熱量効果

小杉 佳久*; 後藤 真人*; Tan, Z.*; 菅 大介*; 礒部 正彦*; 吉井 賢資 ; 水牧 仁一朗*; 藤田 麻哉*; 高木 英典*; 島川 祐一*

Kosugi, Yoshihisa*; Goto, Matato*; Tan, Z.*; Kan, Daisuke*; Isobe, Masahiko*; Yoshii, Kenji; Mizumaki, Masaichiro*; Fujita, Asaya*; Takagi, Hidenori*; Shimakawa, Yuichi*

固体における熱量効果はいくつか知られているが、気体の膨張圧縮を用いた手法に比べ、効率的で環境に優しい冷凍効果が実現できることが知られている。新規な熱量効果を開拓することは、今後の持続的社会の実現などの観点から重要である。本論文では、フェリ磁性体BiCu$$_{3}$$Cr$$_{4}$$O$$_{12}$$が、一次相転移である電荷秩序温度190Kにおいて複数の熱量効果が重畳するマルチ熱量効果を示すことを発見した。この相転移温度に置けるエントロピー変化28.2J K$$^{-1}$$ kg$$^{-1}$$は、外部磁場の変化(磁気熱量効果)によっても、圧力の変化(圧力熱量効果)によっても利用可能であることが分かった。断熱状態の温度変化は、外部磁場50kOeのとき3.9K、圧力4.9kbarのとき4.8Kであった。これらの結果は、効率的な冷凍が複数の手法によって行える系であることを示す。

Caloric effects of solids provide more efficient and environment-friendly innovative refrigeration systems compared to the widely-used conventional vapor compressive cooling systems. Exploring novel caloric materials is challenging but critically important in developing future technologies. Here we discovered that the quadruple perovskite structure ferrimagnet BiCu$$_{3}$$Cr$$_{4}$$O$$_{12}$$ shows a large multicaloric effect at the first-order charge transition occurred around 190 K. Large latent heat and the corresponding isothermal entropy changes 28.2 J K$$^{-1}$$ kg$$^{-1}$$ can be fully utilized by applying both magnetic fields (magnetocaloric effect) and pressure (barocaloric effect). Adiabatic temperature changes reach 3.9 K for the 50 kOe magnetic field and 4.8 K for the 4.9 kbar pressure, and thus highly efficient thermal controls are achieved by multiple ways.

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