GdPO4 纳米球形颗粒在超低温下的可逆大磁热效应及其在磁制冷技术中的应用

本文报道了通过高温固相反应法合成单斜晶系GdPO4 纳米颗粒，系统研究了其在1.8 K附近的铁磁-顺磁相变及显著磁热效应。该材料在2 T和9 T磁场下分别展现出20.43 J/(kg·K)和44.79 J/(kg·K)的最大磁熵变(-ΔSM max )，相对制冷功率(RCP)可达818.30 J/kg，为超低温磁制冷提供了新型高效工质。研究通过Arrott曲线和普适性曲线证实其二阶相变特性，并揭示其短程磁有序特征，对量子技术及空间科学中的极低温制冷具有重要应用价值。

　　

在追求碳中和与绿色能源的时代背景下，传统气体压缩制冷技术因能效低、使用氟利昂等臭氧层破坏物质而面临淘汰。磁制冷技术凭借其零排放、低噪音和高能效的优势，在医疗成像超导磁体冷却、氢液化等尖端领域展现出巨大潜力。然而，现有磁制冷材料在超低温区（<2 K）仍存在制冷效率不足、工作温区窄等瓶颈，这直接制约了量子计算、深空探测等前沿科技的发展。

针对这一挑战，研究人员选择具有7/2高自旋态且磁各向异性极小的Gd³⁺
离子作为核心，聚焦其磷酸盐化合物GdPO₄
开展研究。该材料独特的PO₄
^3-
结构单元可调控磁相互作用，此前在Gd₂
(SO₄
)₃
·8H₂
O等材料中已观测到显著磁热效应(-ΔS_M
)，但磷酸盐体系的低温性能尚未充分发掘。

研究团队采用高温固相反应法合成单斜晶系(P2₁
/n)GdPO₄
纳米球，通过X射线衍射(XRD)精修确定晶格参数(a=0.66497 nm, b=0.68457 nm, c=0.63327 nm)，结合SEM/EDX证实其60-80 nm的球形形貌。磁性测量使用PPMS-9T系统，在1.8-70 K温区完成等温磁化曲线采集，通过Maxwell关系计算磁熵变，并采用Arrott曲线和普适性曲线分析相变性质。

3.1 X射线衍射
Rietveld精修显示材料含82.82%主相与17.18%的GdPO₄
-3/2H₂
O杂质相。Scherrer方程计算表明晶粒尺寸57-84 nm，与SEM结果吻合。

3.3 磁学特性
Curie-Weiss拟合获得有效磁矩μ_eff
^exp
=7.43 μ_B
（理论值7.94 μ_B
），顺磁居里温度θ_p
=2 K。1.8 K处铁磁-顺磁相变由dχ/dT极小值确认，磁化曲线显示FM与AFM相互作用共存。

3.4 磁热效应
-ΔS_M
^max
在2 T/9 T时分别达20.43/44.79 J/(kg·K)，优于LiGdP₄
O₁₂
(20.1 J/(kg·K))。RCP值随磁场增强从112.02 J/kg(2 T)提升至818.30 J/kg(9 T)，源于熵变峰值展宽(δT^FWHM
)与幅值协同提升。

3.5 普适性曲线
归一化熵变数据ΔS′在不同磁场下完美重叠为单一曲线，符合Lorentz函数拟合，强有力地证实其二阶相变本质。

3.6 临界行为
修正Arrott曲线显示3D-Ising模型(β=0.325, γ=1.24)最匹配，临界指数n=0.49偏离平均场理论值2/3，表明存在局域磁不均匀性。

3.7 自旋相互作用
交换作用强度J(r)∝r^-3.79
的短程衰减特性，与σ=0.79的参数共同证实材料中存在FM/AFM竞争的短程磁有序。

这项发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的研究，首次系统阐明了纳米球形GdPO₄
在亚开尔文温区的卓越磁热性能。其44.79 J/(kg·K)的熵变值刷新了磷酸盐体系纪录，818 J/kg的RCP性能可直接应用于超导磁体冷却。通过临界指数分析和普适性曲线构建，不仅确认其二阶相变特性，更揭示出自旋间独特的r^-3.79
衰减规律，为设计新型短程有序磁制冷材料提供了理论依据。该成果将推动极低温磁制冷技术在量子计算机、卫星红外探测器等领域的实用化进程。