Stokiyometrik bileşiklerde element oranları kimyasal kararlılık tarafından belirleniyor ve bu durum atom başına değerlik elektronu sayısının (e/a) ayarlanmasını kısıtlıyor. Bu sınırlama, özellikle kuasikristaller (QC) ve yaklaşık kristallerde (AC) manyetik özelliklerin kontrolünü zorlaştırıyordu.
Tokyo Bilim Üniversitesi’nden Prof. Ryuji Tamura ve ekibi, ‘çift hetero-valent ikame’ adı verilen yeni bir yöntemle bu engeli aştı. Yöntem, atomların benzer boyut ve kimyasal özelliklere sahip elementlerle kısmen değiştirilmesine dayanıyor. Böylece, stokiyometrik olmayan yeni bileşikler elde edilerek yapısal kararlılık korunurken manyetik özellikler ayarlanabiliyor.
YENİ MALZEME AİLESİ
Ekip, tekniği Ga–Pt–Gd bileşiğine uygulayarak Au ile ikame gerçekleştirdi. Ortaya çıkan yeni kuaterner Ga–Pt–Au–Gd 1/1 AC ailesi, uzun menzilli ferromanyetik düzen sergiledi. Bu malzemeler, 8.7 K ile 14.9 K arasında değişen Curie sıcaklıklarına sahip oldu ve güçlü manyetokalorik tepkiler gösterdi.
Ölçümlere göre, izotermal manyetik entropi değişimi (ΔSm) -8.7 J/K·mol-Gd seviyesine ulaştı. Bu değer, nadir toprak elementlerine dayalı en iyi manyetokalorik malzemelerle kıyaslanabilecek düzeyde.
MANYETİK SOĞUTMAYA UMUT
Araştırmacılar, yöntemin Cu/Mg, Ca/Pb veya Ag/Pd gibi farklı element çiftlerinde de uygulanabileceğini vurguluyor. Böylece, pahalı değerli metallerin yerine daha uygun fiyatlı alternatifler kullanılabilir.
Yeni malzemeler, özellikle adiabatik demanyetizasyon soğutması (ADR) ve aktif manyetik rejeneratörlerde düşük sıcaklıklı uygulamalar için umut verici görünüyor. Ayrıca, helyumsuz soğutma çözümlerinde ve kuantum bilgisayarlar için gerekli ultra düşük sıcaklık teknolojilerinde kullanılabilecek potansiyele sahip.
KUANTUM VE KRYOJENİK UYGULAMALAR
Çalışma, manyetik faz geçişleri sayesinde daha yüksek entropi kapasitesi sunan malzemeler geliştirilebileceğini gösteriyor. 8–15 K sıcaklık aralığında elde edilen performans, bu alaşımları pratik kriyojenik sistemlerde ve kuantum hesaplama altyapısında güçlü adaylar haline getiriyor.
Prof. Tamura ve ekibi, bu yaklaşımın yalnızca kuasikristallerle sınırlı kalmadığını, geniş bir malzeme ailesine uygulanabileceğini belirtiyor. Böylece, yüksek performanslı manyetik soğutma sistemleri için tasarımda yeni bir dönemin başladığı ifade ediliyor.
