Новое открытие в физике, сделанное группой под руководством Университета Вирджинии, может привести к созданию более эффективных холодильников, тепловых насосов и сканеров в аэропортах, среди множества возможных применений - возможно, в течение десятилетия.
Команда физиков и материаловедов открыла универсальный закон, управляющий магнитными свойствами метамагнетиков - металлических сплавов, которые могут подвергаться резкому увеличению намагниченности при приложении небольшого внешнего магнитного поля, например, от постоянного магнита или электромагнит.
Ученые обнаружили, что магнитный эффект, по-видимому, всех метамагнетиков заключается в том, что он нелинейный. Когда эти метамагнетики помещаются в начальное магнитное поле и поле удваивается, их магнитная сила увеличивается более чем вдвое. Это важно, потому что в конечном итоге ученые и инженеры, вероятно, будут использовать это уникальное свойство для различных применений, включая охлаждение.
«Мы обнаружили, что это нелинейное свойство имеет одинаковое количественное поведение во всех различных типах метамагнетиков, что является универсальным законом», - сказал Беллав Шиварам, профессор физики Университета Вирджинии, который руководил исследованиями, которые проводились. в своей лаборатории и с использованием материалов, синтезированных в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Выводы опубликованы в отдельных статьях, которые в настоящее время находятся онлайн в журналах Physical Review B: Rapid Communications и Review of Scientific Instruments.
По словам Шиварама, недавно открытое свойство нелинейности можно использовать по-разному.
«Очень полезное свойство этого типа магнетизма заключается в магнитном охлаждении», - сказал он. «Магнитные холодильники не являются обычным явлением; они все еще находятся на экспериментальной стадии. Но со временем они могут стать частью повседневных бытовых приборов, от тепловых насосов до холодильников, в которых мы храним продукты».
В настоящее время метамагниты обеспечивают эффективное охлаждение только при очень низких температурах, используя сверхпроводящие магниты, что делает их непрактичными для общего охлаждения.
«С новыми открытиями свойств метамагнетиков они могут стать частью повседневных бытовых приборов в течение десяти лет или около того», - сказал Шиварам.
Современные холодильники являются одними из самых больших потребителей энергии в доме. Они включают в себя несколько движущихся частей, что делает их ремонт дорогостоящим, и они могут выделять в атмосферу фторуглероды, которые разрушают озоновый слой. По словам Шиварама, холодильники будущего, использующие метамагниты, будут иметь меньше движущихся частей, не будут требовать хладагентов и, вероятно, будут потреблять меньше электроэнергии.
«В этих новых материалах магнетизм может включаться и выключаться, позволяя откачивать тепло, подобно тому, как это происходит сегодня в тепловом насосе», - сказал Шиварам. «В современном тепловом насосе мы используем давление для переключения охлаждающей среды из жидкой фазы в паровую. В новых магнитных холодильниках мы будем использовать магнитный материал и вместо этого будем использовать магнитное поле».
Другим возможным применением метамагнитов могут быть, например, более эффективные устройства досмотра в аэропортах. Такие скринеры используют безвредные терагерцовые волны для сканирования материалов. Экранер, использующий метамагнетики, будет генерировать более эффективную генерацию терагерцовых волн, сказал Шиварам, путем преобразования мощных низкочастотных радиоволн в терагерцовые волны с использованием нелинейных свойств метамагнетиков.
«Обнаружив свойства этих материалов, мы показали их перспективность», - сказал Шиварам. «Мы выясним будущие направления и какие новые материалы мы должны использовать для возможных применений».
Его соавторами по статье Physical Review B являются бывшие U. Va. аспирант Брайан Дорси, материаловед Дэвид Хинкс из Аргоннской национальной лаборатории и физик Прадип Кумар из Университета Флориды. Эта совместная работа продолжается и недавно была дополнена участием Vittorio Celli, U. Va. почетный профессор физики.