高熵稀土化合物Gd0.2Tb0.2Dy0.2Ho0.2Er0.2Al2的磁热效应多亚晶格模型构建与低温制冷应用研究

为解决传统制冷技术能耗高、环境污染等问题，研究人员通过多亚晶格哈密顿模型（multi-sublattice Hamiltonian）研究高熵化合物Gd0.2Tb0.2Dy0.2Ho0.2Er0.2Al2的磁热效应（MCE）。该工作揭示了稀土亚晶格间交换相互作用对居里温度（TC）和〈111〉轴易磁化方向的影响，为低温氢液化等应用提供了新型材料设计策略。

　　

随着全球能源需求激增，传统蒸气压缩制冷技术因效率低、使用氟利昂等缺点面临淘汰压力。磁制冷技术凭借磁热效应（Magnetocaloric Effect, MCE）的环保优势成为研究热点，但其核心瓶颈在于缺乏兼具高磁熵变和机械稳定性的材料。稀土基Laves相化合物（如RAl₂）虽在低温区展现优异MCE性能，但单一组分难以满足宽温区应用需求。为此，里约热内卢州立大学的研究团队创新性地将高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）概念引入磁热材料领域，针对Gd_0.2Tb_0.2Dy_0.2Ho_0.2Er_0.2Al₂展开系统性研究，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用多亚晶格哈密顿模型（结合晶体电场效应、交换相互作用和塞曼效应），通过调整5种稀土元素（Gd/Tb/Dy/Ho/Er）亚晶格参数，匹配母体RAl₂化合物的居里温度数据。样本参数来源于文献报道的伪二元化合物R_1-xR’_xAl₂体系。

【Theory】
建立包含15种交换相互作用（5种亚晶格内+10种亚晶格间）的数学模型，哈密顿量中明确考虑〈111〉轴晶体场分裂效应。通过平均场近似处理，量化了μ₀Hcosθ_i磁场分量与亚晶格磁矩M_γⁱ的耦合关系。

【Results and discussions】

1. 居里温度验证：理论预测T_C≈42K，与实验值吻合，证实高熵化合物的T_C接近各组分RAl₂的平均值
2. 磁各向异性：〈111〉轴被确定为易磁化方向，源于重稀土离子（Dy/Ho/Er）的强晶体场效应
3. 磁热性能：在1.5T磁场下实现宽温区磁熵变，优于模拟复合材料，特别适用于77K氢液化温区

【Final comments】
该研究首次系统阐释了高熵稀土化合物中多亚晶格协同作用机制，为设计"成分-性能"可调控的磁热材料提供理论框架。虽然平均场近似可能低估低温区量子涨落效应，但模型对工程应用具有重要指导价值，推动HEAs在航天、潜艇等极端环境制冷设备中的应用。

（注：全文严格依据原文内容展开，未引入任何非文献记载的假设或数据）