All-temperature barocaloric effects at pressure-induced phase transitions

圧力誘起相転移における全温度範囲のバロカロリック効果

Zhao, X.*; Zhang, Z.*; 服部 高典   ; Wang, J.*; Li, L.*; Jia, Y.*; Li, W.*; Xue, J.*; Fan, X.*; Song, R.*; Zhu, J.*; Liu, P.*; Chen, X.-Q.*; Zhang, Z.*; Li, B.*

Zhao, X.*; Zhang, Z.*; Hattori, Takanori; Wang, J.*; Li, L.*; Jia, Y.*; Li, W.*; Xue, J.*; Fan, X.*; Song, R.*; Zhu, J.*; Liu, P.*; Chen, X.-Q.*; Zhang, Z.*; Li, B.*

熱効果は、固体状態の冷凍技術の一つの解決策の基盤を成すもので、通常は固体状態の相転移付近で発生し、冷凍温度範囲が限定されている。ここでは、前例のない概念である「全温度帯バロカロリック効果」を導入し実現する。すなわち、KPFにおいて77.5Kから300Kの極めて広い温度範囲(潜在的に4Kまで)で観測される顕著なバカカロリック効果である。この温度範囲は、一般的な室温、液体窒素、液体水素、液体ヘリウムの冷却領域をカバーしている。直接測定されたバーカロリック断熱温度変化は、250MPaの圧力を解放した際に、室温で12K、77.5Kで2.5Kに達する。この効果は、圧力依存性の中性子粉末回折、ラマン散乱解析、第一原理計算により示されるように、菱面体高圧相への持続的な相転移に起因する。構造的不安定性を考慮した熱力学的エネルギーランドスケープを記述する。この独自の全温度帯バロカロリック効果は、従来の多段式シナリオを超えた、高度に適用可能な固体状態冷凍技術への新たなアプローチを提供する。

Caloric effects usually occur in the vicinity of solid-state phase transitions with a limited refrigeration temperature span. Here, we introduce and realize an unprecedented concept -all temperature barocaloric effect, i.e., a remarkable barocaloric effect in KPF across an exceptionally wide temperature span, from 77.5 to 300 K and potentially down to 4 K, covering typical room temperature, liquid nitrogen, liquid hydrogen, and liquid helium refrigeration regions. The directly measured barocaloric adiabatic temperature change reaches 12 K at room temperature and 2.5 K at 77.5 K upon the release of a 250 MPa pressure. This effect is attributed to a persistent phase transition to a rhombohedral high pressure phases. We depict the thermodynamic energy landscape to account for the structural instability. This unique all-temperature barocaloric effect presents a novel approach to highly applicable solid-state refrigeration technology, transcending the conventional multi-stage scenario.