Materialforschung für energieeffiziente magnetische Kühlung

Inverser magnetokalorischer Effekt unter der Neutronenlupe

Jülich, 28. Juni 2018 - Ein deutsch-französisches Forscherteam um den Jülicher Physiker Nikolaos Biniskos hat mit Hilfe von Neutronenuntersuchungen neue Einblicke in den inversen magnetokalorischen Effekt gewonnen. Die Erkenntnisse könnten bei der Suche nach geeigneten magnetokalorischen Materialien für energieeffiziente Heiz- und Kühlsysteme helfen.

Magnetokalorische Materialien erwärmen sich, wenn sie in ein Magnetfeld eintreten, und kühlen sich wieder ab, wenn sie es verlassen. Das Phänomen lässt sich für energieeffiziente, umweltfreundliche und leise Heiz- und Kühlzwecke ausnutzen, hat jedoch noch keine breite Verwendung gefunden, da die Materialien für den Massenmarkt bisher zu teuer sind. Seit mehr als 100 Jahren ist der Effekt bekannt: Das Magnetfeld sorgt dafür, dass sich die magnetischen Momente im Material ausrichten. Sinkt die magnetische Unordnung, also die magnetische Entropie, steigt die Gitterentropie und das Material erwärmt sich. Wird das Magnetfeld entfernt, steigt die magnetische Entropie und das Material kann der Umgebung Wärme entziehen.

Nikolaos Biniskos vom Forschungszentrum Jülich und vom französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA-Grenoble) und seine Kollegen haben nun ein Material untersucht, bei dem bei tiefen Temperaturen der verwandte inverse magnetokalorische Effekt auftritt: Die Legierung aus Mangan und Silizium kühlt sich ab, wenn sie in ein Magnetfeld eintritt und erwärmt sich beim Austritt. Die Forscher zeigten mit Hilfe von Neutronenstreuung, dass Fluktuationen der Elektronenspins im Material eine Rolle bei der Entstehung des inversen magnetokalorischen Effekts spielen. Sie werden durch ein magnetisches Feld ausgelöst – die Entropie steigt dadurch und ein Kühleffekt entsteht.

Neutronenstreuung ist besonders gut geeignet, solche Spindynamik nachzuweisen. Für die Messungen kamen Instrumente an der französischen Forschungseinrichtung Laboratoire Léon Brillouin und am europäischen Zentrum Institut Laue-Langevin zum Einsatz, wo das Jülich Centre for Neutron Science ein Neutronenspektrometer betreibt. Da sehr gute Einkristalle verfügbar sind, an denen die Spinfluktuationen deutlich nachweisbar sind, eignet sich die untersuchte Mn5Si3-Legierung hervorragend als Modellsystem für ähnliche Materialien.

Am Kalte-Neutronen-Dreiachsenspektrometer IN12, das das Jülich Centre for Neutron Science gemeinsam mit dem französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA) am Institut Laue-Langevin betreibt sowie an zwei weiteren Neutronenstreugeräten untersuchten die Forscher den Zusammenhang zwischen Spindynamik und der Entstehung des inversen magnetokalorischen Effekts in Mn5Si3.

Originalveröffentlichung:

N. Biniskos et al.; Spin fluctuations drive the inverse magnetocaloric effect in Mn5Si3;
Phys. Rev. Lett. 120, 257205 – Published 22 June 2018,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.257205