Frustrated Gd3+ Double Perovskites as High-Performance Magnetocaloric Materials for Sub-100 mK Adiabatic Demagnetization Refrigeration

للوصول إلى أبرد درجات الحرارة المعروفة علمياً، يجب على الباحثين التفوق بذكاء على طبيعة الحرارة نفسها. ففي مجال الحوسبة الكمومية والمستشعرات فائقة الحساسية، غالباً ما يكون الهدف هو تبريد المواد إلى جزء من الدرجة فوق الصفر المطلق، وهي حالة تتباطأ فيها الارتجافات الفوضوية للذرات لتصل إلى حالة شبه سكون. وتعد عملية "إزالة المغنطة الكظومة" (adiabatic demagnetization) واحدة من أكثر الطرق فعالية لتحقيق ذلك. تخيل إسفنجة تمتص الماء؛ في هذه الحالة، تمتص مادة مغناطيسية الطاقة الحرارية عند تطبيق مجال مغناطيسي. وإذا قمت بعد ذلك بسحب ذلك المجال بينما المادة معزولة عن محيطها، فلا بد للمادة أن تستخدم حرارتها الداخلية لإعادة تنظيم ذراتها المغناطيسية، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارتها بشكل حاد. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على أملاح محددة للقيام بهذه الحيلة، لكن هذه المواد لها حدود؛ فهي غالباً لا تستطيع الوصول إلى برودة كافية للتجارب الأكثر تقدماً، أو تفتقر إلى الكثافة اللازمة لتبريد الأنظمة الكبيرة بكفاءة. لذا كان البحث مستمراً عن فئة جديدة من المواد التي يمكنها دفع هذه الحدود بشكل أكبر، موفرةً القدرة على الوصول إلى درجات حرارة أقل والقدرة على احتواء قوة تبريد أكبر في مساحة أصغر.

لقد حدد فريق من الباحثين في ألمانيا عائلة جديدة واعدة من المواد التي قد تحل هذه المشكلة. فقد ركزوا على مركبان محددان، هما "أنتيمونات غادولينيوم الباريوم" و"أنتيمونات غادولينيوم السترونشيوم"، واللذان يتكونان من بنية بلورية تُعرف باسم "البيروفسكيت المزدوج". هذه المواد محشوة بأيونات الغادولينيوم، وهي ذرات مغناطيسية معروفة بقدرتها على تخزين كمية كبيرة من الإنتروبيا، أو الاضطراب، وهي خاصية أساسية للتبريد الفعال. قام الباحثون بتخليق هذه المركبات وأخضعوها لاختبارات صارمة لمعرفة كيفية سلوكها تحت تأثير البرودة الشديدة والمجالات المغناطيسية. وما وجدوه هو أن الترتيب الفريد للذرات في هذه البلورات يخلق حالة من "الإحباط" (frustration). وفي هذا السياق، لا يعني الإحباط أن الذرات تشعر بالانزعاج؛ بل يصف وضعاً هندسياً حيث لا تستطيع الذرات المغناطيسية أن تصطف جميعها في نمط بسيط ومنظم لأن شكل الشبكة البلورية يجبرها على اتخاذ مواضع متضاربة. هذا الصراع يمنع الذرات من الانغلاق في نظام مغناطيسي صلب حتى تنخفض درجة الحرارة إلى مستويات منخفضة للغاية، مما يبقيها في حالة مضطربة وعالية الطاقة، وهي حالة مثالية للتبريد.

قام الفريق بقياس أداء هذه المواد من خلال البدء بدرجة حرارة كلفن اثنين ومجال مغناطيسي قدره خمسة تسلا، ثم تقليل المجال ببطء لمعرفة مدى البرودة التي يمكن أن تصل إليها. كانت النتائج مذهلة؛ فقد بردت مركبة الباريوم لتصل إلى 67 ميلي كلفن، بينما وصلت نسخة السترونشيوم إلى 68 ميلي كلفن، حتى مع وجود مجال مغناطيسي صغير. وعند إزالة المجال تماماً، وصلت مركبة الباريوم إلى 83 ميلي كلفن ووصلت مركبة السترونشيوم إلى 78 ميلي كلفن. هذه هي أدنى درجات الحرارة التي تم تسجيلها لمغناطيسات تعتمد على الغادولينيوم تحت هذه الظروف المحددة. ولوضع هذا في المنظور، فإن هذه الدرجات تعادل تقريباً واحد من ألف من درجة حرارة يوم شتوي نموذجي، ومع ذلك تم تحقيقها باستخدام مادة هي أكثر دمجاً وقوة من الأملاح التقليدية المستخدمة في الماضي. كما لاحظ الباحثون أن مركبة الباريوم يمكنها الحفاظ على درجات حرارة أقل من 100 ميلي كلفن حتى عند تطبيق مجال مغناطيسي قدره 0.5 تسلا، وهي ميزة تجعلها مفيدة بشكل خاص للتجارب التي تتطلب بيئة مغناطيسية، مثل دراسة الموصلات الفائقة.

يكمن سر هذا النجاح في التوازن الدقيق للقوى داخل البلورة. فالذرات من الغادولينيوم مرتبة في شبكة من الأشكال رباعية الأوجه (tetrahedra)، وهو شكل يسبب بطبيعته إحباطاً لمحاذاتها المغناطيسية. اكتشف الباحثون أن التفاعلات المغناطيسية بين هذه الذرات ضعيفة، لكنها تتنافس مع قوة أخرى تسمى "التفاعل ثنائي القطب" (dipolar interaction)، والذي ينشأ من الطبيعة المغناطيسية للذرات نفسها. هذا التنافس، جنباً إلى جنب مع الإحباط الهندسي، يثبط درجة الحرارة التي تتجمد عندها المادة عادةً في حالة مغناطيسية صلبة. بالنسبة لمركب الباريوم، تبلغ درجة حرارة الترتيب هذه حوالي 100 ميلي كلفن، وللمركب السترونشيوم حوالي 190 ميلي كلفن. ولأن المادة تظل مضطربة حتى درجات الحرارة المنخفضة للغاية هذه، فإنها تحتفظ بكمية هائلة من الإنتروبيا التي يمكن استغلالها للتبريد. كما كشفت الدراسة أن مركب الباريوم يخضع لانتقالين مغناطيسيين متميزين، وهو سلوك نادر يشير إلى تداخل معقد للقوى لا يزال الباحثون يعملون على فهمه بشكل كامل.

تمثل هذه النتائج خطوة مهمة للأمام في تطوير التبريد عند درجات حرارة منخفضة للغاية. وخلافاً للعديد من مواد التبريد عالية الأداء الأخرى التي تعتمد على مواد كيميائية سامة أو طرق تخليق معقدة، فإن هذه "البيروفسكيتات المزدوجة" غير سامة ويمكن معالجتها بسهولة على شكل أقراص. وهي توفر مزيجاً من قوة التبريد العالية والقدرة على الوصول إلى درجات حرارة قياسية منخفضة لم يسبق لها مثيل في الأنظمة القائمة على الغادولينيوم. لقد أثبت الباحثون أنه من خلال هندسة البنية البلورية بعناية لتعظيم الإحباط وتقليل الترتيب المغناطيسي، من الممكن إنشاء مواد تتفوق على أحدث التقنيات الحالية. يفتح هذا العمل الباب أمام أنظمة تبريد أكثر كفاءة وقوة، والتي يمكن أن تدعم الجيل القادم من التقنيات الكمومية وتسمح للعلماء باستكشاف القوانين الأساسية للفيزياء في مجالات كانت غير قابلة للوصول سابقاً. إن القدرة على الوصول إلى درجات الحرارة هذه بشكل موثوق وآمن تشير إلى أن هذه المواد يمكن أن تصبح أداة قياسية في المختبرات المخصدة لدفع حدود عالم البرودة.