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.
Одним из таких материалов является атакамит, который 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 Центра Гельмгольца по изучению материалов (HZDR) исследовала это редкое свойство. В долгосрочной перспективе результаты, опубликованные в журнале 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.
«Отличительной чертой атакамита является расположение ионов меди», — объясняет доктор Леони Хейнце из Юлихского центра нейтронных исследований (JCNS). «Они образуют длинные цепочки из небольших 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.
Когда исследователи изучали атакамит в чрезвычайно сильных магнитных полях в Лаборатории высоких магнитных полей (HLD) Центра Гельмгольца, выяснилось нечто удивительное: материал продемонстрировал заметное охлаждение в импульсных магнитных полях — и не просто небольшое, а снижение почти до половины исходной температуры. Этот необычно сильный охлаждающий эффект особенно заинтересовал исследователей, поскольку поведение магнитно-фрустрированных материалов в этом контексте изучено недостаточно.
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 лаборатории магнитных полей (EMFL) позволили получить более глубокое понимание. «Используя магнитно-резонансную спектроскопию, мы смогли чётко продемонстрировать, что магнитное упорядочение 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 концах зубчатых цепочек вдоль поля и таким образом снижает 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 неупорядоченность — или, точнее, на магнитную энтропию — системы. Чтобы компенсировать это быстрое изменение энтропии, материал должен соответствующим образом отрегулировать свою температуру. Именно этот механизм исследователи теперь смогли продемонстрировать на примере атакамита.
«Конечно, мы не ожидаем, что атакамит в будущем будет интенсивно добываться 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.
magnetic field. A team headed by TU Braunschweig and the HZDR has now investigated this rare property. In the long term, the results, now published in Physical Review Letters, could help to develop new materials for energy-efficient magnetic cooling.”,”The emerald-green mineral atacamite, named for the place it was first found, the Atacama Desert in Chile, gets its characteristic coloring from the copper ions it contains. These ions also determine the material’s magnetic properties: they each have an unpaired electron whose spin gives the ion a magnetic moment—comparable to a tiny needle on a compass.”,”\”The distinct feature of atacamite is the arrangement of the copper ions,\” explains Dr. Leonie Heinze of Jülich Center for Neutron Science (JCNS). \”They form long chains of small, linked triangles known as sawtooth chains.\””,”This geometric structure has consequences: although the copper ions’ spins always want to align themselves antiparallel to one another, the triangular arrangement makes this geometrically impossible to achieve completely. \”We refer to this as magnetic frustration,\” continues Heinze. As result of this frustration, the spins in atacamite only arrange themselves at very low temperatures—under 9 Kelvin (−264°C)—in a static alternating structure.”,”When the researchers examined atacamite under the extremely high magnetic fields at HZDR’s High Magnetic Field Laboratory (HLD), something surprising emerged: The material exhibited a noticeable cooling in the pulsed magnetic fields—and not just a slight one, but a drop to almost half of the original temperature. This unusually strong cooling effect particularly fascinated the researchers, as the behavior of magnetically frustrated materials in this context has scarcely been studied.”,”However, magnetocaloric materials are considered a promising alternative to conventional cooling technologies, for example for energy-efficient cooling or the liquefaction of gases. This is because, instead of compressing and expanding a coolant—a process that takes place in every refrigerator—they can be used to change the temperature by applying a magnetic field in an environmentally friendly and potentially low-loss approach.”,”Additional studies at various labs of the European Magnetic Field Laboratory (EMFL) provided more in-depth insights. \”By using magnetic resonance spectroscopy, we were clearly able to demonstrate that the magnetic order of atacamite is destroyed when a magnetic field is applied,\” explains Dr. Tommy Kotte, a scientist at HLD. \”This is unusual as the magnetic fields in many magnetically frustrated materials usually counteract the frustration and even encourage ordered magnetic states.\””,”The team found the explanation for the mineral’s unexpected behavior in complex numerical simulations of its magnetic structure: while the magnetic field aligns the copper ions‘ magnetic moments on the tips of the sawtooth chains along the field and thus reduces the frustration as expected, it is precisely these magnetic moments that mediate a weak coupling to neighboring chains. When this is removed, a long-range magnetic order can no longer exist.”,”This also provided the team with an explanation for the particularly strong magnetocaloric effect: it always occurs when a magnetic field influences the disorder—or more precisely, the magnetic entropy—of a system. In order to compensate for this rapid change in entropy, the material has to adjust its temperature accordingly. This is the very mechanism the researchers have now managed to demonstrate in atacamite.”,”\”Of course, we do not expect atacamite to be extensively mined in the future for use in new cooling systems,\” says Dr. Kotte, \”but the physical mechanism we have investigated is fundamentally new and the magnetocaloric effect we observed is surprisingly strong.\” The team hopes their work will inspire further research, especially a targeted search for innovative magnetocaloric materials within the extensive class of magnetically frustrated systems.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tHelmholtz Association of German Research Centres\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник