Изумрудно-зеленый минерал атакамит, названный так в честь места, где он был впервые найден, - пустыни Атакама в Чили, - приобретает свою характерную окраску благодаря содержащимся в нем ионам меди. Эти ионы также определяют магнитные свойства материала: у каждого из них есть неспаренный электрон, спин которого придает иону магнитный момент, сравнимый с крошечной стрелкой на компасе. "Отличительной особенностью атакамита является расположение ионов меди", - объясняет доктор Леони Хайнце из Юлихского центра нейтронных наук (JCNS). "Они образуют длинные цепочки из маленьких соединенных треугольников, известных как пилообразные цепочки". Такая геометрическая структура имеет свои последствия: хотя спины ионов меди всегда стремятся выровняться антипараллельно друг другу, треугольное расположение делает это геометрически невозможным полностью. "Мы называем это магнитным расстройством", - продолжает Хайнце. В результате этого нарушения спины в атакамите упорядочиваются только при очень низких температурах - ниже 9 Кельвинов (-264°C) - в статическую чередующуюся структуру.

Когда исследователи исследовали атакамит в условиях чрезвычайно высоких магнитных полей в Лаборатории высоких магнитных полей HZDR (HLD), обнаружилось нечто удивительное: материал демонстрировал заметное охлаждение в импульсных магнитных полях - и не просто незначительное, а падение почти до половины первоначальной температуры. Этот необычно сильный охлаждающий эффект особенно заинтересовал исследователей, поскольку поведение магнитно-фрустрированных материалов в этом контексте практически не изучалось. Однако магнитокалорические материалы считаются многообещающей альтернативой традиционным технологиям охлаждения, например, для энергоэффективного охлаждения или сжижения газов. Это объясняется тем, что вместо сжатия и расширения охлаждающей жидкости - процесса, который происходит в каждом холодильнике, - их можно использовать для изменения температуры с помощью магнитного поля, что является экологически чистым и потенциально малопотерьным подходом.

Каково происхождение этого сильного магнитокалорического эффекта?

Дополнительные исследования, проведенные в различных лабораториях Европейской лаборатории магнитного поля (EMFL), позволили получить более глубокое представление. "Используя магнитно-резонансную спектроскопию, мы смогли четко продемонстрировать, что магнитный порядок атакамита разрушается при приложении магнитного поля", - объясняет доктор Томми Котте, ученый из HLD. "Это необычно, поскольку магнитные поля во многих материалах с магнитным расстройством обычно противодействуют расстройству и даже поощряют упорядоченные магнитные состояния".

Команда нашла объяснение неожиданному поведению минерала в сложном численном моделировании его магнитной структуры: в то время как магнитное поле выравнивает магнитные моменты ионов меди на концах пилообразных цепочек вдоль поля и, таким образом, уменьшает фрустрацию, как и ожидалось, именно эти магнитные моменты обеспечивают слабую связь. к соседним цепочкам. Когда это устраняется, магнитный порядок дальнего действия больше не может существовать. Это также дало команде объяснение особенно сильного магнитокалорического эффекта: он всегда возникает, когда магнитное поле влияет на беспорядок - или, точнее, на магнитную энтропию - системы. Чтобы компенсировать это быстрое изменение энтропии, материал должен соответствующим образом регулировать свою температуру. Это тот самый механизм, который исследователям теперь удалось продемонстрировать в атакамите.

"Конечно, мы не ожидаем, что в будущем атакамит будет широко добываться для использования в новых системах охлаждения, - говорит доктор Томми Котте, - но физический механизм, который мы исследовали, является принципиально новым, а наблюдаемый нами магнитокалорический эффект удивительно силен". Команда надеется, что их работа вдохновит на дальнейшие исследования, особенно на целенаправленный поиск инновационных магнитокалорических материалов в рамках обширного класса магнитно-фрустрированных систем.