Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2014, № 12 · SOLID STATE ELECTRONICS

Собственное излучение и коэффициент отражения ЭМВ в диапазоне 8 мм сплавов Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 и TiNi в температурном интервале вблизи фазовых переходов 1 и 2 рода

I.V. Bychkov1, V.A. Golunov2, D.S. Kalenov2, A.P. Kamantsev3, D.S. Kuchin3, V.V. Koledov3, D.A. Kuzmin2, V.V. Meriakri2, S.V. Fon Gratovski2, M.P. Parkhomenko2, A.V. Mashirov3, V.G. Shavrov3

1 Челябинский государственный университет, Russia
2 Fryazino Branch of Kotelnikov IRE RAS, Friazino, Russia
3 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
Full text UDC 539.371, 538.911 EDN TNVMHH

Abstract

The original experimental techniques are created for the study of the electromagnetic response and spontaneous radiation of electromagnetic waves in the range of 28-32 GHz, of samples of the alloys with phase transitions (PT). Using these techniques, the following experiments were done: there were carried in situ measurements of the electromagnetic waves radiation of a ferromagnetic Heusler alloy Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 by radiometry techniques (in the range of 28-32 GHz), and simultaneously measuring of the low-frequency magnetic susceptibility, reflecting the occurrence of magnetic and structural PTs in the sample. An anomalous no monotonic temperature dependences of the radiation in the temperature range near magneto structural PT of the 1st order (330 - 345 K), and abnormal fluctuations in the radiation near the Curie point (360 K) were detected. The contributions to the signal from the self-radiation of the sample and the reflected electromagnetic radiation from a background were separated. The influence of the nature of the kinetics of PT upon millimeter wave radiation of sample was investigated by changing the rate of heating / cooling from 0.1 K / s to 10 K / s. It was shown that the peaks of the intrinsic radiation increases with the rate of temperature change. These methods confirm that the detected anomalies are not subjected to Planck's formula and the Stefan-Boltzmann law and are associated with non-equilibrium processes at PT. The study by the radiometric technique of the electromagnetic radiation of the TiNi alloy of it’s intrinsic radiation and electromagnetic wave reflection coefficient in the range of 28-32 GHz were done. In the temperature range near the thermoelastic martensitic structural PT (290-315 K) there were revealed the anomalies of the intrinsic radiation and the reflection coefficient which are associated with the non-equilibrium processes at PT. The model is propose that relates the reflection coefficient anomalies and intensity of intrinsic radiation. The results of numerical simulations are in good qualitative agreement with the experimental data.

  • phase transition
  • electromagnetic waves
  • millimeter range
  • Heusler alloys
  • intrinsic radiation
  • reflection coefficient
Аннотация (на русском)

Собственное излучение и коэффициент отражения ЭМВ в диапазоне 8 мм сплавов Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 и TiNi в температурном интервале вблизи фазовых переходов 1 и 2 рода

Созданы оригинальные экспериментальные методики для изучения электромагнитного отклика и самопроизвольного (квазитеплового) излучения ЭМВ в диапазонах 28-32 ГГц образцов твердых тел с фазовыми превращениями (ФП). С помощью этих методик проведены in situ измерения, собственного электромагнитного излучения образцов ферромагнитного сплава Гейслера Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 и сплава Ti-Ni c термоупругими мартенситными ФП. Для образца Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 методом одновременного измерения квазитеплового излучения радиометрическим методом (в диапазоне 28-32 ГГц) и одновременные измерения низкочастотной магнитной восприимчивости, отражающей протекание магнитного и структурного ФП в образце обнаружена аномальная немонотонная зависимость излучения от температуры вблизи магнитоструктурного ФП 1-го рода (330 - 345 К) и аномальные флуктуации излучения вблизи точки Кюри (360 К). Разделены вклады в сигнал радиометра от собственного излучения образца и отраженного электромагнитного фона. Влияние кинетики ФП на характер миллиметрового излучения образца изучались при изменении скорости нагрева/охлаждения от 0,1 К/с до 10 К/с. Показано, что пики собственного излучения возрастают при увеличении скорости изменения температуры. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что обнаруженные аномалии не подчиняются формуле Планка и закону Стефана-Больцмана и связаны с неравновесными процессами при ФП. В сплаве TiNi с термоупругим мартенситным ФП исследовано радиометрическим методом собственное излучение и коэффициент отражения ЭМВ в диапазоне 28 - 32 ГГц. В интервала температур вблизи ФП (290 - 315 К) обнаружены аномалии собственного излучения и коэффициента отражения, связанные с неравновесными процессами при ФП. Предложена модель, связывающая аномалии коэффициента отражения и интенсивности собственного излучения, проведено численное моделирование и получено качественное согласие расчетных и экспериментальных результатов.

For citation

Bychkov I.V., Golunov V.A., Kalenov D.S., Kamantsev A.P., Kuchin D.S., Koledov V.V., Kuzmin D.A., Meriakri V.V., Gratovski S.V. Fon, Parkhomenko M.P., Mashirov A.V., Shavrov V.G. Собственное излучение и коэффициент отражения ЭМВ в диапазоне 8 мм сплавов Ni 2,14Mn 0,81GaFe 0,05 и TiNi в температурном интервале вблизи фазовых переходов 1 и 2 рода // Journal of Radio Electronics. – 2014. – No. 12.

References

  1. G.E.W. Bauer, E.Saitoh, B.J.van Wees. Spin caloritronics // Nature Materials. 2012, V. 11. P. 391-399.
  2. Dejene, F. K.; Flipse, J.; Bauer, G. E. W.; et al. Spin heat accumulation and spin-dependent temperatures in nanopillar spin valves // Nature Physics, 2013, V. 9, No 10. P. 635-638.
  3. Dejene, F. K.; Flipse, J.; van Wees, B. J. Spin-dependent Seebeck coefficients of Ni80Fe20 and Co in nanopillar spin valves // Phys. Rev. B 2012, V. 86, No. 2, 024436.
  4. W. Jiang, P. Upadhyaya, Y. Fan, Direct Imaging of Thermally Driven DomainWall Motion in Magnetic Insulators. Pys. Rev. Lett. 2013, V. 110, 177202.
  5. Ni. Yun, Y. Kailun, H. Fu, et al. Spin Seebeck Effect and Thermal Colossal Magnetoresistance in Graphene Nanoribbon Heterojunction // Scientific Rep. 2013, V. 3, 1380.
  6. N. Z. Ping. Thermally induced spin transport in two-dimensional ferromagnetic gapped grapheme. EPL (Europhysics Letters) 2013, V. 101. 57008.
  7. Y. Ni, K.-L.Yao, H.-H. Fu, et al. The transport properties and new device design: the case of 6,6,12-graphyne nanoribbons // Nanoscale. 2013, V. 5, No 10. P. 4468-4475.
  8. M. Zeng, W. Huang, G. Liang. Spin-dependent thermoelectric effects in graphene-based spin valves // Nanoscale. 2013, V. 5, No 1. P.200-208.
  9. M. Zeng, Y. Feng, G. Liang. Graphene-based Spin Caloritronics // Nano Lett. 2011, V. 11, No 3. P. 1369-1373.
  10. M. Martín-González, O. Caballero-Calero, P. Díaz-Chao. Nanoengineering thermoelectrics for 21st century: Energy harvesting and other trends in the field. Renewable and Sustainable // Energy Reviews. 2013, V. 24. P. 288-305.
  11. А.И.Волокитин, Б.Петерсон. Радиационная передача тепла и бесконтактное трение между наноструктурами // УФН. 2007, т. 177, № 9. С. 921- 951.
  12. I. Altfeder, A. Voevodin, K. Ajit Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 2010, V.105, 166101.
  13. A. Kitel, W. Muller-Hirsch, J. Parisi, et al. Near-Field Heat Transfer in a Scanning Thermal Microscope // Phys. Rev. Lett. 2005, V.95, 224301.
  14. Балакирев М.К., Горчаков А.В. Просачивание упругой волны через зазор между пьезоэлектриками // ФТТ, 1977. Т. 19. № 2. с. 571-572.
  15. Балакирев М.К., Богданов С.В., Горчаков А.В. Туннелирование ультразвуковой волны через щель между кристаллами иодата лития // ФТТ, 1978, Т. 20, № 2. C. 588-590.
  16. Гуляев Ю.В., Плесский В.П. Резонансное прохождение акустической волны через щель между пьезоэлектриками // ФТТ. 1978, Т. 20, № 1. C. 133-138.
  17. С.М. Рытов. Теория электрических флуктуаций и теплового излучения. Издательство АН СССР, Москва 1953. С. 232.
  18. E. Rousseau, A. Siria, G. Jourdan, et al. Radiative heat transfer at the nanoscale // Nature Photonics. 2009, V. 3. P. 514 - 517.
  19. Polder D., Van Hove M. Theory of Radiative Heat Transfer between Closely Spaced Bodies // Phys. Rev. B. 1971, V. 4. P. 3303-3314.
  20. J.-P. Mulet, K. Joulain, R. Carminati, et al. Enhanced radiative heat transfer at nanometric distances // Microscale Thermophysical Engineering. 2002, V. 6, Issue 3. P. 209-222.
  21. M. E. Perel'man, V. A. Tatartchenko. Phase transitions of the first kind as radiation processes. Physics Letters A 2008 V. 372. P. 2480-2483.
  22. Г.С. Бордонский, А.А. Гурулев, А.О. Орлов, С.В. Цыренжапов. Усиление микроволнового излучения во льду при фазовом переходе, вызванном давлением // Письма в ЖТФ. 2012, Т. 38, С. 30 - 36.
  23. С.А.Салль, А.П.Смирнов. Фазовопереходное излучение и рост новой фазы // ЖТФ. 2000, Т. 70, № 7. С. 35 - 39.
  24. C. Grojean, G. Servant. Gravitational waves from phase transitions at the electroweak scale and beyond // Phis. Rev. D. 2007. V. 75, 043507.
  25. Wang, KT, Brewster, MQ. Phase-transition radiation in vapor condensation process // Int. Comm. Heat Mass Transf. 2010, V.37. P. 945-949.
  26. V.A. Tatartchenko. Infrared characteristic radiation of water condensation and freezing in connection with atmospheric phenomena; part 2: New data / Earth-Science Reviews. 2011, V. 107. P. 311- 319.
  27. C. M. Jaworski, J. Yang, S. Mack, et al. Observation of the spin-Seebeck effect in a ferromagnetic semiconductor // Nature Materials. 2010. V. 9. P, 898-903.
  28. С.Нестеров, А.Холопкин. Вакуумные туннельные диоды // Наноиндустрия. 2014, №6 (52). C. 46-50.
  29. Y. Hisinuma, T.H.Gaballe, B.Y.Moyzhez. Refrigeration by combined tunneling and thermoionic emission in vacuum // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. P. 2752-2754.
  30. Belbachir, R.Y., An, Z., Ono, T. Thermal investigation of a micro-gap thermionic power generator // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. V. 24, 085009.
  31. Giazotto, F., Heikkilä, T.T., Luukanen, et al. Opportunities for mesoscopics in thermometry and refrigeration // Reviews of Modern Physics. 2006. V. 78 (1), P. 217-274.
  32. А.Д.Божко, В.Д.Бучельников, А.Н.Васильев, И.Е.Дикштейн, С.М.Селецкий. В.В.Ховайло. Фазовые переходы в ферромагнит-ных сплавах Ni2 xMn1-xGa // Письма в ЖЭТФ. 1998. т. 67. № 3. с. 214-218.
  33. А.Божко, А.Васильев, В.Ховайло, И.Дикштейн, В.Коледов,С.Сел-ецкий,А.Тулайко-ва,А.Черечукин, В.Бучельников. Магнитные и структурные фазо-вые переходы в ферромагнитных сплавах Mi2 xMn1-xGa с памятью формы // ЖЭТФ. 1999. т.115. № 5. с. 1740-1755.
  34. Cherechukin, A.A., Dikshtein, I.E., Ermakov, D.I., et al. Shape memory effect due to magnetic field-induced thermoelastic martensitic transformation in polycrystalline Ni-Mn-Fe-Ga alloy // Physics Letters. 2001, V. A 291 (2-3), P. 175-183.
  35. V.Buchelnikov, I.Dikshtein, R.Grechishkin, T.Khudaverdyan, V.Koledov, Yu.Kuzavko,I.Nazarkin,T.Takagi. Ultrasound induced martensitic transition in ferromagnetic Ni2.15Mn0.81Fe0.04Ga shape memory alloy // JMMM. 2004. Vol. 272-276.p.2025-2026.