（GdCe）CrO3中的巨磁热效应与声子动力学

用磁体替代气体进行制冷

冰箱和低温冷却系统大多依赖可能对环境有害的气体压缩循环。一种很有吸引力的替代方案是磁制冷，它利用材料磁性的变化来传递热量。本文研究了一种经特殊设计的氧化物化合物 Gd0.9Ce0.1CrO3，该材料在低温下对磁场表现出异常强的制冷响应，同时揭示了其原子振动的微小变化如何与磁性行为相关联。

为极端制冷量身打造的晶体

本研究的材料属于稀土铬酸盐家族，这类氧化物中磁性原子坐落在称为钙钛矿结构的三维框架中。通过将一小部分钆（Gd）原子替换为稍大的铈（Ce）原子，研究人员在不改变基本排列的前提下对该框架进行了轻微的拉伸和扭曲。X射线衍射确认该化合物仍为单一、有序的晶相，而对原子位置的精确精修显示铬与氧之间的距离和角度发生了细微但有意义的变化。这些纳米尺度的调整改变了晶体中磁性构件之间的相互作用方式。

倾听原子的振动

为了解晶格如何响应这种化学替代，团队采用了拉曼光谱学，这是一种“聆听”晶体中原子振动“音符”的技术。他们发现了若干振动模，其中一种CrO6八面体的对称伸缩模格外显著。在掺铈的化合物中，该振动模变得明显增强且与未掺杂的GdCrO3相比频率略有移动。随着温度变化，这条振动谱线的移动不能仅用简单的热效应来解释。在铬自旋排列成反铁磁模式的温度附近，该模出现了细微的拐点，表明磁性与晶格振动存在耦合。这种自旋—声子相互作用表明，改变晶体几何结构会直接影响它的振动特性与磁化行为。

可翻转与可切换的磁化

磁化测量显示，掺Ce的化合物在约173 K时发生磁有序，形成一种轻微倾斜的反铁磁态，其中相邻自旋多半相互抵消但并不完全抵消。当样品在弱磁场中冷却时，总磁化可以变为负值，意味着某些磁子格层的磁矩相对于外加场呈相反方向排列。在极低温度附近（约10 K），系统发生自旋翻转：在足够的磁场下，一部分自旋的方向会突然改变，从而重整磁性排列。时间分辨实验表明，这种翻转态是稳定的，并且可以通过调节温度或磁场强度可重复地切换。这样的磁化极性可控切换，且在数千秒内保持稳定，暗示其在磁存储元件或热磁开关中的潜在应用。

接近纪录的磁制冷响应

Gd0.9Ce0.1CrO3最具技术吸引力的特性是其巨大的磁热效应：当在几开尔文附近施加并移除强磁场时，该材料显示出很大的磁熵变化，这一量度与其能够吸收或释放的热量密切相关。通过分析在不同温度和场强下获得的一系列磁化曲线，作者计算出在3 K、场变化为90 kOe时的峰值熵变约为45 J·kg⁻¹·K⁻¹——这一数值在此类氧化物中，乃至许多基于钆的材料中，都是极高的。该增强归因于被改性的晶体几何结构以及磁离子与振动晶格之间加强的耦合，这些因素使自旋对温度和磁场的响应更加敏锐。

从原子畸变到未来冷却器

通俗地说，这项工作展示了仅用十分之一的Gd原子替换为稍大的Ce原子，就能微妙扭曲晶格、改变其振动、重组其磁性模式，并最终提高其作为磁制冷剂的能力。可控的磁化反转、稳健的低温自旋翻转行为以及接近纪录的磁热性能相结合，表明像Gd0.9Ce0.1CrO3这样的精心设计的钙钛矿氧化物，可能成为未来固态制冷技术和磁切换器件的重要组成部分，尤其适用于需要在非常低温下避免使用有害气体的应用场景。

引用: Dokala, R.K., Das, S. & Thota, S. Giant-magnetocaloric effect and phonon dynamics in (GdCe)CrO₃. Sci Rep 16, 12050 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42301-9

关键词: 磁热效应, 磁制冷, 钙钛矿氧化物, 自旋-声子耦合, 稀土铬酸盐