挑战物理：这种稀有的晶体利用纯磁性自我冷却
天然晶体以其鲜艳的色彩、近乎完美的外观和多方面的对称形式而着迷。 但研究人员对它们感兴趣的原因完全不同：在已知的无数矿物中，他们总是会发现一些具有不寻常磁性的材料。 其中之一是阿塔卡梅石，它在低温下表现出磁热行为——也就是说，当材料受到磁场时，其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-罗森多夫中心 （HZDR） 领导的团队现已研究了这一罕见特性 （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。 翠绿色矿物阿塔卡米石因其首次发现地智利的阿塔卡马沙漠而得名，其特有的颜色来自其所含的铜离子。 这些离子还决定了材料的磁性性质：它们每个都有一个不成对的电子，其自旋使离子具有磁矩 - 相当于指南针上的一根小针。 “atacamite 的显着特征是铜离子的排列，”博士解释道。 于利希中子科学中心 （JCNS） 的 Leonie Heinze。 “它们形成由小而相连的三角形组成的长链，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彼此反平行排列，但三角形排列使得这在几何上不可能完全实现。 “我们将此称为磁挫败感，”Heinze 继续说道。 由于这种挫败感，阿塔卡米特中的自旋仅在非常低的温度（低于 9 开尔文 （-264°C））下以静态交替结构排列。 当研究人员在 HZDR 的高磁场实验室 （HLD） 检查极高磁场下的阿塔卡米特时，出现了一些令人惊讶的事情：该材料表现出脉冲磁场明显冷却 - 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特别让研究人员着迷，因为在这种情况下，磁挫败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一种有前途的替代品，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法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） 各个实验室的其他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 的磁序会被破坏，“博士解释道。 HLD 的科学家汤米·科特 （Tommy Kotte）。 “这是不寻常的，因为许多磁挫败材料中的磁场通常会抵消挫败感，甚至促进有序磁态。” 该团队在其磁结构的复杂数值模拟中找到了该矿物意外行为的解释：而磁场使铜离子的磁性对齐锯齿链尖端沿磁场的力矩，从而减少了预期的挫败感，正是这些磁矩介导了与相邻链的弱耦合。 当它被删除时，远程磁序将不再存在。 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。 为了为了补偿熵的这种快速变化，材料必须相应地调整其温度。 这就是研究人员现在设法在阿塔卡米中证明的机制。 “当然，我们预计未来不会广泛开采阿塔卡米特用于新的冷却系统，”博士说。 汤米·科特，“但我们研究的物理机制是全新的，我们观察到的磁热效应出奇地强大。 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败系统类别中有针对性地寻找创新的磁热材料。