Refrigeració multicalòrica millorada per interaccions multilocals

En les darreres dècades la refrigeració basada en materials magnètics s’ha convertit en un camp d’investigador actiu i prometedor. Malgrat això, aquesta tecnologia encara no és atractiva comercialment, ja que requereix l’ús de costosos imants permanents i molts dels materials magnètics considerats pateixen de fatiga mecànica quan són sotmesos a cicles refrigerants.

Aquest projecte focalitza en una nova via per reduir dràsticament els costos i millorar la vida útil del refrigerant: La utilització de materials magnètics que mostren simultàniament efectes calòrics generats tant per camps magnètics com tensions mecàniques, és a dir, efectes multicalòrics. L’objectiu és el d’obtenir la combinació òptima d’estímuls magnètics i mecànics per crear un refredament màxim.

La teoria funcional de la densitat (density functional theory, DFT) és actualment una de les eines principals per la modelització de materials des de primers principis. Tanmateix, la versió estàndard de DFT normalment no inclou efectes de temperatura i, per tant, troba dificultats a l’hora de descriure la termodinàmica dels efectes (multi-)calòrics. En aquest projecte fem servir la teoria del moment local desordenat (DLM), un dels pocs marcs teòrics existents que expandeix DFT per modelar materials magnètics a temperatura finita des de primers principis [1,2,3].

Les propietats magnètiques d’un sòlid són dictaminades per les interaccions magnètiques entre els àtoms, les quals depenen de les seves posicions i distàncies donant lloc a forts acoblaments del magnetisme amb l’estructura cristal·lina del material. Per aquesta raó, les vibracions dels àtoms causades per excitacions tèrmiques, és a dir, els fonons, també poden afectar el magnetisme i a conseqüents efectes calòrics. Tot i això, la versió actual de la nostra eina computacional no incorpora aquesta interacció. Un objectiu principal del projecte MULTICALORICS és el desenvolupament d’un nou mètode per calcular l’efecte dels phonons en el magnetisme i refredament calòric.

Investigacions prèvies a aquest projecte han demostrat un potencial acoblament dels phonons amb el magnetisme en els materials Mn3AN, on “A” pot ser una combinació de metalls de transició i elements semiconductors. Mn3AN és una famosa classe de materials magnètics gràcies als seus efectes calòrics gegantins i a la seva possible manipulació mitjançant dopatge químic [4,5]. En el projecte MULTICALORICS tenim l’ambició de predir les millors condicions multicalòriques en aquests materials per a la seva posterior anàlisi experimental en el grup de materials funcionals i transicions de fase de la UB.

[1] B. Gyorffy et al., J. Phys. F: Metal Phys. 15, 1337 (1985)
[2] E. Mendive-Tapia and J. Staunton, Phys. Rev. B 99, 144424 (2019)
[3] E. Mendive-Tapia, J. Neugebauer, and T. Hickel, Phys. Rev. B 105, 064425 (2022)
[4] D. Matsunami et al., Nature Materials 14, 73 (2015)
[5] D. Boldrin, E. Mendive-Tapia et al., Phys. Rev. X 8, 041035 (2018)