Rare Crystal 利用磁力自行冷却
天然晶体以其鲜艳的色彩、近乎完美的外观和多种对称的形式而着迷。 但研究人员对它们感兴趣的原因却大相径庭：在已知的无数矿物中，他们总能发现一些具有不寻常磁性的材料。 其中之一是 atacamite，它在低温下表现出磁热行为——也就是说，当材料受到磁场的影响时，材料的温度会发生显着变化。 一个由布伦瑞克工业大学和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫 （HZDR） 领导的团队现在已经研究了这种罕见的特性 （DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.216701）。 从长远来看，这些结果可能有助于开发用于节能磁冷却的新材料。 翠绿色矿物 atacamite 以其首次发现的地方智利阿塔卡马沙漠命名，其特有的颜色来自它所含的铜离子。 这些离子还决定了材料的磁性特性：它们都有一个不成对的电子，其自旋使离子产生磁矩 - 类似于指南针上的细针。 “Atacamite 的显着特征是铜离子的排列，”博士解释说。 于利希中子科学中心 （JCNS） 的 Leonie Heinze。 “它们形成小而相连的三角形的长链，称为锯齿链。” 这种几何结构会产生后果：尽管铜离子的自旋总是希望使自己彼此反平行，但三角形排列使得这在几何上不可能完全实现。 “我们称之为磁挫折，”Heinze 继续说道。 由于这种挫折，Atacamite 中的旋转仅在非常低的温度下以静态交替结构排列 - 低于 9 开尔文 （-264°C）。 当研究人员在 HZDR 的高磁场实验室 （HLD） 检查极高磁场下的 atacamite 时，出现了一些令人惊讶的事情：该材料表现出脉冲磁场中明显冷却 - 不仅仅是轻微的冷却，而是下降到原始温度的近一半。 这种异常强烈的冷却效应尤其让研究人员着迷，因为在这种情况下，磁挫性材料的行为几乎没有被研究过。 然而，磁热材料被认为是传统冷却技术的有前途的替代品，例如用于节能冷却或气体液化。 这是因为，它们不是压缩和膨胀冷却剂（每个冰箱都会发生的过程），而是可以通过以环保且潜在的低损耗方式施加磁场来改变温度。 这种强磁热效应的起源是什么？ 欧洲磁场实验室 （EMFL） 各个实验室的额外研究提供了更深入的见解。 “通过使用磁共振波谱，我们显然能够证明当施加磁场时，Atacamite 的磁序被破坏，“博士解释说。 HLD 的科学家 Tommy Kotte。 “这很不寻常，因为许多磁阻材料中的磁场通常会抵消挫折感，甚至促进有序的磁态。” 该团队在对矿物磁性结构的复杂数值模拟中找到了矿物意外行为的解释：当磁场对齐铜离子的磁性时沿磁场的锯齿链尖端的力矩，从而如预期的那样减少了挫折，正是这些磁矩介导了与相邻链的弱耦合。 当它被删除时，长距离磁订单就不再存在。 这也为该团队提供了对特别强的磁热效应的解释：当磁场影响系统的无序（或者更准确地说，磁熵）时，它总是发生。 为了为了补偿这种熵的快速变化，材料必须相应地调整其温度。 这就是研究人员现在设法在 atacamite 中证明的机制。 “当然，我们预计未来不会广泛开采 atacamite 以用于新的冷却系统，”博士说。 Tommy Kotte，“但我们研究的物理机制从根本上是新的，我们观察到的磁热效应出奇地强。 该团队希望他们的工作能够激发进一步的研究，特别是在广泛的磁挫系统类别中有针对性地寻找创新的磁热材料。