Magnetocaloric Effect in Metamagnetic Shape Memory Alloy

Abstract

У даній статті представлені результати кількісного теоретичного аналізу прямого та оберненого магнітокалоричного ефекту (МКЕ) у метамагнітному сплаві з ефектом пам'яті форми (ММСЕПФ). Враховуючи нещодавно отримані експериментальні дані, що свідчать про антиферомагнітне упорядкування, був проведений теоретичний аналіз, який стартує з виразу для магнітної енергії антиферомагнетика з двома магнітними підгратками. Адіабатична зміна температури, зумовлена прямим та оберненим МКЕ в ММСЕПФ, була оцінена та порівняна з експериментальними даними, отриманими для сплаву Ni2Mn1.4Sn0.6. Адіабатична зміна температури залежить від зміни ентропії, спричиненої магнітним полем, і теплоємності сплаву. Для отримання кількісного узгодження між експериментальними та теоретичними даними були враховані та оцінені магнітний і немагнітний внески до теплоємності ММСЕПФ. Завдяки цьому був виявлений внесок спонтанної деформації, що супроводжує магнітоструктурний фазовий перехід, до загальної величини МКЕ. Також обчислено збільшення теплоємності, зумовлене зміною магнітного стану сплаву під час фазового переходу. Показано, що температурний пік теплоємності, спостережений в температурному інтервалі магнітоструктурного фазового перетворення сплаву Ni-Mn-Sn, є зумовленим як спонтанною деформацією кристалічної гратки, так і магнітним впорядкуванням сплаву. Показано, що наявність піку теплоємності зменшує очікувану з рівняння Дебая величину адіабатичної зміни температури у 2,5. Наскільки нам відомо, роль спонтанної деформації кристалічної гратки в температурній залежності теплоємності та оберненого МКЕ досі не розглядалася.

In the present article, the results of quantitative theoretical analysis of the normal and inverse magnetocaloric effects (MCEs) in metamagnetic shape memory alloy (MMSMA) are reported. Taking into account that the direct experimental evidences of antiferromagnetic ordering were obtained recently, the theoretical analysis was carried out starting from the expression for the magnetic energy of antiferromagnet with two magnetic sublattices. The adiabatic temperature change caused by the inverse and normal MCEs in MMSMA was evaluated and compared with experimental data obtained for Ni2Mn1.4Sn0.6 alloy. The adiabatic temperature change depends on the magnetic-field-induced entropy change and heat capacity of the alloy. To obtain the quantitative agreement between the experimental and theoretical data the magnetic and non-magnetic contributions to the heat capacity of MMSMA were taken into account and evaluated. Due to this, the contribution of spontaneous deformation, which accompanies the magnetostructural phase transition, to the total value of MCE was discovered. The increase of heat capacity caused by the change of magnetic state of the alloy during the phase transition was computed as well. It was shown that the temperature peak of heat capacity, observed in the temperature range of magnetostructural phase transformation of Ni-Mn-Sn alloy, is caused by both spontaneous deformation of the crystal lattice and magnetic ordering of the alloy. It was shown that the presence of the peak of heat capacity diminishes the expected from the Debye equation value of adiabatic temperature change by factor 2.5. To the best of our knowledge, the role of spontaneous deformation of the crystal lattice in the temperature dependence of heat capacity and inverse MCE was not considered until now.