磁性氧化物中的磁热效应：GdBO3 与YbBO3 的低温磁制冷性能研究

本研究针对低温磁制冷材料的需求，通过传统固相法合成GdBO3 和YbBO3 ，系统分析其磁热效应(MCE)。结果表明，两种化合物在2K下分别展现10.8 J mol-1 K-1 和4.9 J mol-1 K-1 的最大磁熵变(-ΔSm )，且GdBO3 在0-7T场变下实现7.9K的绝热温变(ΔTad )，为替代稀缺3 He的低温制冷技术提供新选择。

　　

在量子计算和前沿科学研究领域，维持极低温环境依赖于稀缺且昂贵的³
He气体，而绝热退磁制冷(ADR)技术因其无需³
He的特性成为潜在替代方案。然而，传统ADR材料存在热滞、涡流损耗等问题，亟需开发新型磁制冷材料。针对这一挑战，研究人员聚焦于具有结构多样性和丰富磁行为的稀土磁性氧化物，特别是具有4f电子构型的Gd³⁺
(4f⁷
)和Yb³⁺
(4f¹³
)基化合物，其独特的自旋特性为调控磁热效应(MCE)提供了理想平台。

为探索新型磁制冷材料，国内研究团队通过传统固相反应法合成GdBO₃
和YbBO₃
多晶样品，采用X射线衍射(XRD)、超导量子干涉仪(SQUID)和物理性质测量系统(PPMS)等技术，系统研究了晶体结构、等温磁化、磁化率和比热等性质。通过Rietveld精修确定空间群为C2/c的单斜结构，利用Maxwell方程和Schottky模型分析磁熵变和能级分裂。

晶体结构与磁性表征
精修结果显示GdBO₃
和YbBO₃
具有八配位三棱柱几何结构，Gd³⁺
离子间距3.684-3.816?形成扭曲三角晶格。磁化率曲线在2K以上未显示长程有序，但Curie-Weiss拟合给出负θ_cw
值(GdBO₃
:-6.91K；YbBO₃
:-81.5K)，证实存在短程反铁磁耦合。YbBO₃
在低温区有效磁矩μ_eff
=3.10μ_B
偏离自由离子值(4.54μ_B
)，表明晶体电场(CEF)导致Kramers双态基态。

磁热效应性能
等温磁化曲线显示GdBO₃
在7T/2K下磁矩达6.8μ_B
，接近理论值7.93μ_B
。通过Maxwell方程计算得最大磁熵变-ΔS_m
为10.8 J mol^-1
K^-1
(GdBO₃
)和4.9 J mol^-1
K^-1
(YbBO₃
)，对应绝热温变ΔT_ad
分别为7.9K和3.7K。场依赖分析揭示-ΔS_m
∝Hⁿ
偏离n=2的顺磁行为，证实磁各向异性和CEF效应的影响。

比热与熵变分析
比热曲线在零场下10K处出现宽峰，施加3T场时峰位移动至8K，证实短程磁关联。Schottky模型拟合YbBO₃
得有效g因子3.1，而GdBO₃
因S=7/2各向同性不适用该模型。积分C_mag
/T获得磁熵S_mag
，7T下GdBO₃
达10.4 J mol^-1
K^-1
，接近理论极限Rln8=17.3 J mol^-1
K^-1
。

该研究证实GdBO₃
在液氦温区具有优于YbBO₃
的磁制冷性能，其高体积熵密度(316.9 mJ K^-1
cm^-3
)与经典材料Gd₃
Ga₅
O₁₂
(272.7 mJ K^-1
cm^-3
)相当。通过调控稀土离子4f电子构型与晶格几何阻挫，为设计无热滞、低损耗的低温磁制冷材料提供了新思路，论文发表于《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》。研究不仅拓展了稀土硼酸盐在量子技术中的应用前景，也为理解f电子体系中自旋-轨道耦合与CEF的竞争机制提供了实验依据。