Magnetic frozen technology is attracting attention in recent years. The magneto caloric effect generates heat, when the magnetic field is applied to magnetic substances. In the reverse process, the temperature falls when the outer magnetic field is removed. Using these processes in a cycle, we can cool materials and can fabricate a refrigerating machine.

Fe-based compounds, La(Fe_1-xSi_x)₁₃ with the cubic NaZn₁₃ structure were considered to be appropriate materials for effective magnetic refrigerants due to it's soft magnetism and high magnetization.

In this paper, change of magnetic characters, i.e. the transition temperature and the magnetic entropy, by substitution of Co for Fe is discussed.

Two physical quantities, ΔS(T,H), ΔT(T,S), are useful to indicate the performance of magnetic refrigerant substances. ΔS(T,H) is the change of magnetic entropy in a magnetization process from zero field to a field H in an equal temperature. ΔT(T,S) is the temperature change in an adiabatic de-magnetization process from a field H to zero field. It is known that the bigger ΔS and ΔT are, the more excellent the material is.

The result of substitution shows the followings.

• The transition temperature T_C raises, when the substitution rate x increases from 0 to 0.08. A peak of ΔS in the temperature axis shifts to higher temperatures as x increases. This is because T_C becomes higher by the larger Co-substitution. The maximum value of ΔS decreases as x increases.
• This is because the change of magnetization at T_C becomes less sharp with the increase of Co content.
• Since the material shows no hysteresis, the compound shows a completely reversible behavior near T_C.
• The value of ΔS is almost close to that of pure Gd. The transition temperature is a little higher than Gd. Thus, the present materials are attractive ones for magnetic refrigerants at the room temperature.

近年注目されているものに磁気冷凍技術というものがある。磁気熱量効果といって物質に磁場をかけると発熱するという現象がある。逆に、外磁場を取り除くと温度は下がる。そのようなサイクルを使うと、物を冷やすことが出来、また冷蔵庫も作れる。

Feの合金である立方晶NaZa型構造のLa(Fe_1-xSi_x)₁₃という物質は磁化のしやすいことや、磁化が大きいことから磁気冷凍材料にもっとも適しているとされている。

今回はFeをCoで置換すると磁気冷凍材料にどのような磁気的性質の変化があらわれるかを実験している論文を紹介する。

磁気冷凍材料の性能を見るのにΔS(T,H)、ΔT(T,S)という2つの量がある。ΔSは等温Tで磁場を0からHまで変化させていったときの磁気的エントロピーの変化、ΔTはエントロピーSの変化なしに磁場を0からHまで変化させた時の温度変化である。ΔS、ΔTが大きいほど磁気冷凍材料としては優れているとされている。

実験の結果から

• 置換の割合xを0から0.08まで上げると転移温度T_Cは上昇する。
• ΔSが最大値である温度はxを増やすと上昇する。これはより多くのCo置換によってT_Cが上昇するからである。
• ΔSの最大値はxを多くするにつれ小さくなる。これはCoでの置換が多い程、T_C付近での磁化の変化が鋭くなくなるからである。
• ヒステリシスを示していないことから、T_C付近での磁化過程は可逆的である。
• ほとんど純粋なGdのものの近くにΔSの値がある。 転移温度はGdより少し高い。したがって、現在の材料は室温における磁気冷凍のための魅力的なものである。

ということが分かった。

F. X. Hu, et al. J. Appl. Phys. 92, 3620 (2002)