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Influence of Ni substitution on the phase transitions and magnetocaloric effect of NdCo2 at cryogenic temperatures

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि NdCo₂ में Co के स्थान पर Ni को प्रतिस्थापित करने से ऑर्थोरोम्बिक चरण दब जाता है और चुंबकीय क्षण कम हो जाता है, जिससे निम्न तापमान पर मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव कम हो जाता है।

मूल लेखक: Vilde G. S. Lunde, Øystein S. Fjellvåg, Allan M. Döring, Marc Straßheim, Vladimir Pomjakushin, Konstantin P. Skokov, Oliver Gutfleisch, Tino Gottschall, Joachim Wosnitza, Anja O. Sjåstad, Bjørn C. Hau

प्रकाशित 2026-04-21

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Vilde G. S. Lunde, Øystein S. Fjellvåg, Allan M. Döring, Marc Straßheim, Vladimir Pomjakushin, Konstantin P. Skokov, Oliver Gutfleisch, Tino Gottschall, Joachim Wosnitza, Anja O. Sjåstad, Bjørn C. Hauback, Christoph Frommen

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक अत्यंत कुशल रेफ्रिजरेटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन अपने किचन के फ्रिज की तरह कंप्रेसर और गैस का उपयोग करने के बजाय, आप चुंबकों (magnets) का उपयोग करना चाहते हैं। इसे मैग्नेटिक रेफ्रिजरेशन (चुंबकीय प्रशीतन) कहा जाता है। यह एक सिद्धांत पर काम करता है जिसे मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव (MCE) कहते हैं: जब आप किसी विशेष सामग्री को चुंबकीय क्षेत्र में रखते हैं, तो वह गर्म हो जाती है; जब आप उस क्षेत्र को हटा देते है, तो वह ठंडी हो जाती है। यदि आप इसे पर्याप्त तेज़ी से चक्रित (cycle) करते हैं, तो आप सामान्य फ्रिज के शोर करने वाले और ऊर्जा की खपत करने वाले हिस्सों के बिना चीजों को जमा सकते हैं।

समस्या यह है कि इस काम के लिए सबसे अच्छे सामग्रियां आमतौर पर दुर्लभ, महंगी और कठिनता से मिलने वाली धातुओं (जैसे होल्मियम या डिस्प्रोसियम) से बनी होती हैं। वैज्ञानिक इनके सस्ते, अधिक सामान्य विकल्पों की तलाश कर रहे हैं जो अभी भी अच्छी तरह से काम कर सकें, विशेष रूप से हाइड्रोजन को जमाने के लिए (जिसके लिए इसे -253°C और -196°C के बीच के अत्यंत ठंडे तापमान पर रखने की आवश्यकता होती है)।

यह शोध पत्र इस बारे में है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम एक विशिष्ट सामग्री जिसे NdCo₂ (नियोडिमियम-कोबाल्ट) कहा जाता है, को बेहतर, सस्ता उम्मीदवार बनाने के लिए उसमें बदलाव करने की कोशिश कर रही है। यहाँ उन्होंने जो किया है, उसका सरल विवरण दिया गया है:

1. "आकार बदलने वाली" सामग्री (The "Shape-Shifting" Material)

NdCo₂ सामग्री को लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) के एक ब्लॉक के रूप में सोचें।

कमरे के तापमान पर: ईंटें एक पूर्ण, सममितीय घन (cube) के रूप में व्यवस्थित होती हैं। सामग्री "सुस्त" (पैरामैग्नेटिक) है और चुंबकों की परवाह नहीं करती है।
जैसे-जैसे यह ठंडी होती है: ईंटें अचानक खुद को पुनर्गठित करती हैं। पहले, वे एक टेट्रागोनल (tetragonal) आकार में दब जाती हैं (जैसे एक घन जिसे खींचकर एक लंबे बॉक्स में बदल दिया गया हो)। फिर, यदि यह और भी ठंडी हो जाती है, तो वे एक ऑर्थोरोम्बिक (orthorhombic) आकार में मुड़ जाती हैं (एक टेढ़ा-मेढ़ा बॉक्स)।
यह क्यों मायने रखता है? हर बार जब इसका आकार बदलता है, तो सामग्री का चुंबकीय व्यक्तित्व भी बदल जाता है। यह "आकार बदलना" वास्तव में वही है जहाँ कूलिंग का जादू होता है।

2. प्रयोग: कोबाल्ट को निकेल से बदलना

कोबाल्ट आपूर्ति श्रृंखला (supply chain) में थोड़ा समस्या पैदा करने वाला है—यह महंगा है और इसे प्राप्त करना नैतिक रूप से कठिन है। वैज्ञानिकों ने पूछा: "क्या होगा यदि हम कुछ कोबाल्ट को निकेल से बदल दें, जो सस्ता और आसानी से उपलब्ध है?"

उन्होंने सामग्री के पांच अलग-अलग संस्करण बनाए, जिसमें कोबाल्ट के 0%, 25%, 50%, 75%, और 100% को निकेल के साथ बदला गया।

क्या हुआ?

आकार बदलना धीमा हो गया: शुद्ध कोबाल्ट वाले संस्करण में, सामग्री 100°C और 42°C (एब्सोल्यूट जीरो के ऊपर) पर अपना आकार बदलती है। जैसे-जैसे उन्होंने अधिक निकेल मिलाया, ये "आकार बदलने" के क्षण निचले तापमान पर होने लगे।
"मुड़ाव" गायब हो गया: बहुत अधिक निकेल वाले संस्करणों के लिए (50% या उससे अधिक), सामग्री ने दूसरा अजीब सा मुड़ाव (ऑर्थोरोम्बिक चरण) करना बंद कर दिया। यह बस पहले वाले खींचे हुए आकार में ही रही।
चुंबकत्व कमजोर हो गया: निकेल, कोबाल्ट की तुलना में कम चुंबकीय है। इसलिए, जैसे-जैसे उन्होंने अधिक निकेल मिलाया, सामग्री का समग्र "चुंबकीय प्रहार" कमजोर होता गया।

3. कूलिंग पावर (मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव)

वैज्ञानिकों ने जानना चाहा: क्या यह निकेल का बदलाव इस सामग्री को एक बेहतर फ्रिज बनाता है?

अच्छी खबर: निकेल जोड़कर, वे उस तापमान को ट्यून (नियंत्रित) कर सकते हैं जिस पर सामग्री ठंडी होती है। शुद्ध NdCo₂ एक विशिष्ट उच्च तापमान पर ठंडा होता है। थोड़ा सा निकेल जोड़कर, वे उस तापमान को कम कर सकते थे। यह बहुत बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि वे संभावित रूप से इस सामग्री को हाइड्रोजन को तरल बनाने के लिए आवश्यक विशिष्ट तापमान सीमा (20 से 77 केल्विन) के लिए एकदम सही ढंग से सेट कर सकते हैं।
बुरी खबर: क्योंकि निकेल कम चुंबकीय है, इसलिए सामग्री शुद्ध कोबाल्ट संस्करण जितनी ठंडी नहीं हो पाई। पूरी तरह से निकेल के उपयोग से "कूलिंग पंच" 6.3°C की गिरावट से गिरकर लगभग 4.9°C रह गया।

4. जासूसी का काम (न्यूट्रॉन स्कैटरिंग)

उन्हें कैसे पता चला कि सामग्री के अंदर वास्तव में क्या हो रहा है? उन्होंने न्यूट्रॉन डिफ्रैक्शन (neutron diffraction) का उपयोग किया।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक घड़ी के अंदर के गियर को देखने की कोशिश कर रहे हैं। आप उन्हें अपनी आँखों से नहीं देख सकते। इसलिए, आप घड़ी पर नन्हे, अदृश्य गोलों (न्यूट्रॉन) की बौछार करते हैं। जब वे गोले गियर्स से टकराकर वापस आते हैं, तो वे दीवार पर एक पैटर्न बनाते हैं। उस पैटर्न का अध्ययन करके, आप सटीक रूप से पता लगा सकते हैं कि गियर कैसे व्यवस्थित हैं और वे कैसे चलते हैं।
वैज्ञानिकों ने इसका उपयोग यह साबित करने के लिए किया कि चुंबकीय "स्पिन्स" (आंतरिक छोटे चुंबक) सामग्री के आकार के आधार पर अलग-अलग दिशाओं में इशारा करते हैं। उन्होंने पुष्टि की कि निकेल जोड़ने से सामग्री की आंतरिक संरचना बदल गई, और यही कारण था कि कूलिंग तापमान बदल गया।

निष्कर्ष (The Bottom Line)

यह शोध पत्र इंजीनियरिंग ट्रेड-ऑफ (समझौते) की सफलता की कहानी है।

वैज्ञानिकों ने सिद्ध किया कि आप महंगे, महत्वपूर्ण कोबाल्ट को सस्ते निकेल से बदल सकते हैं।
यह उन्हें सामग्री को हाइड्रोजन ईंधन तकनीक के लिए आवश्यक सटीक तापमान पर काम करने के लिए फाइन-ट्यून (सटीक रूप से सेट) करने की अनुमति देता है।
हालांकि सामग्री मूल की तुलना में उतनी शक्तिशाली नहीं है, लेकिन इसकी कार्य करने वाली तापमान को अनुकूलित करने की क्षमता और दुर्लभ संसाधनों पर निर्भरता कम करना, इसे अगली पीढ़ी के पर्यावरण के अनुकूल, अत्यधिक ठंडे रेफ्रिजरेटरों के लिए एक बहुत ही आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।

संक्षेप में: उन्होंने एक शक्तिशाली लेकिन महंगी "जादुई कूलिंग चट्टान" ली, उसके कुछ घटकों को सस्ते घटकों से बदला, और पाया कि हालांकि यह थोड़ी कम शक्तिशाली है, लेकिन अब इसे ठीक वहीं काम करने के लिए ट्यून किया जा सकता है जहाँ हमें इसकी आवश्यकता है, जिससे मैग्नेटिक हाइड्रोजन रेफ्रिजरेशन का सपना थोड़ा और वास्तविक हो गया है।

यहाँ शोध पत्र "NdCo $_{2-x}$ Ni $_x$ के क्रायोजेनिक तापमान पर चरण संक्रमण और मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव पर Ni प्रतिस्थापन का प्रभाव" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण

मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव (MCE) का उपयोग करने वाला चुंबकीय प्रशीतन (मैग्नेटिक रेफ्रिजरेशन), पारंपरिक गैस संपीड़न विधियों की तुलना में क्रायोजेनिक तापमान (20–77 K) पर बेहतर दक्षता प्रदान करता है, जो इसे हाइड्रोजन द्रवीकरण के लिए एक आशाजनक तकनीक बनाता है। हालाँकि, उच्च प्रदर्शन वाले MCE सामग्रियाँ अक्सर भारी दुर्लभ मृदा तत्वों (जैसे Ho, Gd, Dy) पर निर्भर करती हैं जो महंगी और दुर्लभ हैं। इसके अतिरिक्त, इन लावेस यौगिकों (Laves compounds) में प्राथमिक संक्रमण धातु, कोबाल्ट (Co), आपूर्ति श्रृंखला और पर्यावरणीय चिंताओं वाला एक महत्वपूर्ण कच्चा माल है।

यह अध्ययन NdCo $_{2-x}$ Ni $_x$ क्यूबिक लावेस यौगिकों की जांच करके लागत प्रभावी, प्रचुर विकल्पों की पहचान करने की आवश्यकता को संबोधित करता है। विशिष्ट चुनौतियों में शामिल हैं:

यह समझना कि Co के आंशिक प्रतिस्थापन से Ni, जटिल मैग्नेटोस्ट्रक्चरल चरण संक्रमणों (क्यूबिक $\to$ टेट्रागोनल $\to$ ऑर्थोरोम्बिक) कैसे प्रभावित होते हैं।
चुंबकीय क्षण (magnetic moment) और परिणामी MCE पर Ni प्रतिस्थापन के प्रभाव को निर्धारित करना।
NdCo $_2$ में चरण संक्रमणों के क्रम (प्रथम-क्रम बनाम द्वितीय-क्रम) के संबंध में साहित्य में विसंगतियों को सुलझाना।

2. कार्यप्रणाली

शोधकर्ताओं ने एक बहुआयामी दृष्टिकोण का उपयोग करके NdCo $_{2-x}$ Ni $_x$ ( $x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1$ ) के पांच संरचनाओं (compositions) को संश्लेषित और लक्षणगत किया:

संश्लेषण (Synthesis): नमूनों को वाष्पीकरण की भरपाई के लिए अतिरिक्त Nd के साथ आर्गन वातावरण में आर्क मेल्टिंग (arc melting) के माध्यम से तैयार किया गया था, जिसके बाद एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए एनीलिंग (annealing) की गई।
संरचनात्मक लक्षण वर्णन (Structural Characterization):
- स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM-EDS): चरण शुद्धता और रासायनिक संरचना को सत्यापित किया गया।
- सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन पाउडर एक्स-रे विवर्तन (SR-PXD): संरचनात्मक विकृतियों को देखने के लिए कमरे के तापमान और हीटिंग/कूलिंग चक्रों के दौरान किया गया।
- पाउडर न्यूट्रॉन विवर्तन (PND): 1.5–120 K तापमान सीमा में पॉल शेरर इंस्टीट्यूट (PSI) में आयोजित किया गया। यह चुंबकीय संरचनाओं, चुंबकीय क्षणों को निर्धारित करने और उन संरचनात्मक चरणों के बीच अंतर करने के लिए महत्वपूर्ण था जिन्हें एक्स-रे स्पष्ट रूप से हल नहीं कर सकते थे।
चुंबकीय लक्षण वर्णन (Magnetic Characterization):
- बल्क मैग्नेटाइजेशन: क्यूरी तापमान ( $T_C$ ), हिस्टेरेसिस और संतृप्ति चुंबकन ( $M_S$ ) निर्धारित करने के लिए फिजिकल प्रॉपर्टी मेजरमेंट सिस्टम (PPMS) का उपयोग किया गया।
- मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव (MCE): विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए तीन विधियों का उपयोग किया गया:
  1. अप्रत्यक्ष (हीट कैपेसिटी, $C_P$ से): $S-T$ आरेखों से एंट्रॉपी परिवर्तन ( $\Delta S_m$ ) और एडियाबेटिक तापमान परिवर्तन ( $\Delta T_{ad,ind}$ ) की गणना करना।
  2. अप्रत्यक्ष (चुंबकन, $M(H)$ से): आइसोथर्म्स पर मैक्सवेल संबंधों का उपयोग करना।
  3. प्रत्यक्ष: ड्रेसडेन हाई मैग्नेटिक फील्ड लेबोरेटरी (HLD) में पल्स्ड मैग्नेटिक फील्ड (20 T तक) के तहत सीधे $\Delta T_{ad,dir}$ को मापना।
विश्लेषण: $M(H)$ डेटा पर चरण संक्रमणों के क्रम को निर्धारित करने के लिए $n$ -एक्सपोनेंट विश्लेषण का उपयोग किया गया।

3. मुख्य योगदान

व्यापक चरण आरेख (Phase Diagram): तापमान और Ni सामग्री के फलन (function) के रूप में तापमान और संरचना के रूप में संक्रमणों को मैप करते हुए NdCo $_{2-x}$ Ni $_x$ प्रणाली के लिए एक विस्तृत चरण आरेख स्थापित किया।
चुंबकीय संरचना का समाधान: ऑर्थोरोम्बिक चरण में चुंबकीय व्यवस्था को स्पष्ट किया। हालांकि पीक ओवरलैप के कारण मोमेंट्स की दिशा ( $a$ -अक्ष बनाम $b$ -अक्ष) संदिग्ध बनी रही, लेकिन अध्ययन ने स्पिन-ओरिएंटेशन ट्रांजिशन (c-अक्ष (टेट्रागोनल) से $ab$-प्लेन (ऑर्थोरोम्बिक)) की पुष्टि की।
MCE मापन विधियों का सत्यापन: अप्रत्यक्ष ( $C_P$ और $M(H)$ ) और प्रत्यक्ष ( $\Delta T_{ad,dir}$ ) MCE मापों के बीच उत्कृष्ट सहमति प्रदर्शित की, जो प्रथम-क्रम के संक्रमणों के लिए अप्रत्यक्ष विधियों के अविश्वसनीय होने पर प्रत्यक्ष पल्स्ड-फील्ड मापन के उपयोग को प्रमाणित करता है।
संक्रमण तापमान की ट्यूनेबिलिटी (Tunability): दिखाया गया कि Ni प्रतिस्थापन क्यूरी तापमान ( $T_C$ ) को ट्यून करता है और निम्न-तापमान ऑर्थोरोम्बिक चरण को दबा देता है, जिससे विशिष्ट क्रायोजेनिक अनुप्रयोगों के लिए सामग्री की परिचालन सीमा को अनुकूलित किया जा सकता है।

4. मुख्य परिणाम

संरचनात्मक और चरण संक्रमण:

NdCo $_2$ ( $x=0$ ): 100 K ( $T_C$ ) पर क्यूबिक-टू-टेट्रागोनल संक्रमण और 42 K ( $T_{SR}$ ) पर टेट्रागोनल-टू-ऑर्थोरोम्बिक संक्रमण प्रदर्शित करता है।
Ni का प्रभाव: Ni सामग्री ( $x$ $x$ ) बढ़ाने से दोनों संक्रमण निम्न तापमान की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं।
- $x \ge 0.5$ के लिए, ऑर्थोरोम्बिक चरण पूरी तरह से दब जाता है; सामग्री 1.5 K तक टेट्रागोनल रहती है।
- उच्च Ni सामग्री के साथ संरचनात्मक विकृतियाँ (टेट्रागोनल और ऑर्थोरोम्बिक) कम हो जाती हैं।
संक्रमण का क्रम: $T_C$ पर संक्रमण द्वितीय-क्रम (second-order) का है, जबकि कोबाल्ट-समृद्ध नमूनों में स्पिन-ओरिएंटेशन संक्रमण ( $T_{SR}$ ) प्रथम-क्रम (first-order) का है।

चुंबकीय गुण:

चुंबकीय क्षण (Magnetic Moments): Ni प्रतिस्थापन के साथ Nd और Co/Ni दोनों के चुंबकीय क्षण घटते हैं।
- NdCo $_2$ : कुल क्षण $\approx 4.24 \mu_B$ (PND) / $3.99 \mu_B$ (Bulk)।
- NdCoNi ( $x=1$ ): कुल क्षण $\approx 3.38 \mu_B$ (PND) / $2.42 \mu_B$ (Bulk)।
कोएर्सिविटी (Coercivity): बल्क मैग्नेटाइजेशन Ni प्रतिस्थापन के साथ बढ़ता हुआ हिस्टेरेसिस दिखाता है, हालांकि NdCo $_2$ सबसे कम हिस्टेरेसिस प्रदर्शित करता है।

मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव (MCE):

प्रदर्शन: उच्चतम MCE $T_C$ $T_{C}$ पर होता है।
- NdCo $_2$ : $\Delta T_{ad,dir} = 6.3$ K (20 T पर)।
- NdCoNi: $\Delta T_{ad,dir} = 4.9$ K (20 T पर)।
क्षेत्र निर्भरता (Field Dependence): $T_C$ पर MCE, $T_{SR}$ (स्पिन-ओरिएंटेशन तापमान) पर MCE की तुलना में लागू चुंबकीय क्षेत्र के साथ अधिक मजबूती से स्केल करता है।
तुलना: Ni प्रतिस्थापन के कारण चुंबकीय क्षणों में कमी के कारण MCE घटता है, लेकिन Ni-प्रतिस्थापित यौगिक हाइड्रोजन द्रवीकरण के लिए उपयुक्त व्यापक तापमान सीमा (20–77 K) को कवर करते हैं, जबकि शुद्ध NdCo $_2$ उच्च तापमान पर संचालित होता है।

5. महत्व

यह कार्य मैग्नेटिक हाइड्रोजन द्रवीकरण के लिए लावेस फेज सामग्रियों को अनुकूलित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम प्रदान करता है।

लागत और स्थिरता: यह प्रदर्शित करता है कि भारी दुर्लभ-मृदाओं को प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हल्के दुर्लभ-मृदाओं (Nd) से बदलने और महत्वपूर्ण Co को आंशिक रूप से Ni से प्रतिस्थापित करने से, शिखर MCE में मामूली कमी के बावजूद, व्यवहार्य रेफ्रिजरेंट प्राप्त किए जा सकते हैं।
तापमान ट्यूनिंग: Ni सामग्री ( $x$ ) को समायोजित करके $T_C$ को 100 K से 34 K तक ट्यून करने की क्षमता, हाइड्रोजन द्रवीकरण के लिए आवश्यक पूरे 20–77 K रेंज को कवर करने के लिए मल्टी-स्टेज प्रशीतन प्रणालियों को डिजाइन करने की अनुमति देती है।
वैज्ञानिक अंतर्दृष्टि: यह अध्ययन NdCo $_2$ में चरण संक्रमण की प्रकृति के बारे में लंबे समय से चल रही बहसों को सुलझाता है और प्रथम-क्रम के संक्रमणों के लिए प्रत्यक्ष MCE मापन के महत्व को रेखांकित करता है। यह पुष्टि करता है कि जबकि प्रथम-क्रम संक्रमण (ऑर्थोरोम्बिक चरण) को दबाने से थर्मल हिस्टेरेसिस कम हो जाता है, यह शिखर MCE को भी कम कर देता है, जिससे दक्षता और परिचालन स्थिरता के बीच संतुलन बनाना आवश्यक हो जाता है।

निष्कर्षतः, NdCo $_{2-x}$ Ni $_x$ क्रायोजेनिक मैग्नेटिक रेफ्रिजरेशन के लिए एक आशाजनक, ट्यूनेबल वर्ग का प्रतिनिधित्व करता है, जो स्केलेबल, लागत प्रभावी हाइड्रोजन द्रवीकरण प्रौद्योगिकियों के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।