Природные кристаллы завораживают своими яркими цветами, почти безупречным внешним видом и разнообразными симметричными формами. Однако учёные интересуются ими совсем по другим причинам: среди бесчисленного множества уже известных минералов они всегда обнаруживают материалы с необычными магнитными свойствами.
Один из таких минералов — атакамит
Атакамит проявляет магнитокалорическое поведение при низких температурах, то есть температура материала значительно меняется, когда на него воздействует магнитное поле. Группа учёных под руководством ТУ Брауншвейга и HZDR исследовала это редкое свойство. В перспективе результаты, опубликованные в Physical Review Letters, могут помочь в разработке новых материалов для энергоэффективного магнитного охлаждения.
Атакамит, названный так по месту своего первого обнаружения — пустыне Атакама в Чили, — имеет характерный зелёный цвет из-за содержащихся в нём ионов меди. Эти ионы также определяют магнитные свойства материала: у каждого из них есть непарный электрон, спин которого создаёт магнитный момент, сравнимый с крошечной стрелкой компаса.
«Отличительная особенность атакамита — расположение ионов меди», — объясняет доктор Леони Хейнце из Юлихского центра нейтронных исследований (JCNS). «Они образуют длинные цепочки из маленьких связанных треугольников, известные как зубчатые цепочки».
Эта геометрическая структура имеет последствия: хотя спины ионов меди всегда стремятся выровняться антипараллельно друг другу, треугольное расположение делает это геометрически невозможным. «Мы называем это магнитной фрустрацией», — продолжает Хейнце. В результате этой фрустрации спины в атакамите упорядочиваются только при очень низких температурах — ниже 9 Кельвинов (−264 °C) — в статической чередующейся структуре.
Неожиданный эффект охлаждения
Когда исследователи изучили атакамит под воздействием чрезвычайно высоких магнитных полей в лаборатории высоких магнитных полей HZDR (HLD), выяснилось нечто удивительное: материал продемонстрировал заметное охлаждение в импульсных магнитных полях — и не просто небольшое, а падение почти до половины первоначальной температуры. Этот необычно сильный охлаждающий эффект особенно заинтересовал исследователей, поскольку поведение магнитно-фрустрированных материалов в этом контексте мало изучено.
Однако магнитокалорические материалы считаются перспективной альтернативой традиционным технологиям охлаждения, например, для энергоэффективного охлаждения или сжижения газов. Вместо сжатия и расширения хладагента, который происходит в каждом холодильнике, их можно использовать для изменения температуры, применяя магнитное поле. Это экологически чистый и потенциально малозатратный подход.
Дополнительные исследования в различных лабораториях Европейской магнитной лаборатории (EMFL) позволили получить более глубокое понимание. «Используя магнитно-резонансную спектроскопию, мы смогли чётко продемонстрировать, что магнитный порядок атакамита разрушается при воздействии магнитного поля», — объясняет доктор Томми Котте, учёный из HLD. «Это необычно, поскольку магнитные поля во многих магнитно-фрустрированных материалах обычно противодействуют фрустрации и даже способствуют упорядоченным магнитным состояниям».
Команда нашла объяснение неожиданному поведению минерала в сложных численных симуляциях его магнитной структуры: хотя магнитное поле выравнивает магнитные моменты ионов меди на вершинах зубчатых цепочек вдоль поля и тем самым уменьшает фрустрацию, как и ожидалось, именно эти магнитные моменты обеспечивают слабое взаимодействие с соседними цепочками. Когда это взаимодействие устраняется, дальнего магнитного порядка больше не существует.
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. Именно этот механизм исследователям удалось продемонстрировать в атакамите.
«Конечно, мы не ожидаем, что атакамит будет интенсивно добываться в будущем для использования в новых системах охлаждения», — говорит доктор Котте, «но исследованный нами физический механизм принципиально нов, а наблюдаемый магнитокалорический эффект удивительно силён». Команда надеется, что их работа вдохновит на дальнейшие исследования, особенно на целенаправленный поиск инновационных магнитокалорических материалов в обширном классе магнитно-фрустрированных систем.
Предоставлено Helmholtz Association of German Research Centres.