Rare-earth tuning of magnetic entropy and interaction scales in K(PO) ( = Yb, Gd) for adiabatic demagnetization refrigeration
تُظهر هذه الدراسة أن فوسفاتات العناصر الأرضية النادرة القلوية KYb(PO) وKGd(PO)، والتي تفتقر إلى الترتيب المغناطيسي بعيد المدى حتى درجة حرارة 0.1 كلفن، تُبدي قدرات متميزة في التبريد بالإنخفاض الأديباتي للمغناطيسية — حيث تحقق النوع "إيتربيوم" درجات حرارة شديدة الانخفاض، بينما يحقق نوع "جادولينيوم" أوقات احتفاظ ممتدة — مما يؤسس لمنصة متينة كيميائياً لضبط الإنتروبيا المغناطيسية ومقاييس التفاعل من أجل تحسين التبريد دون الكلفن الخالي من الهيليوم.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
للوصول إلى درجات حرارة أبرد من سطح أي كوكب معروف، يجب على العلماء تجريد الحرارة التي تتخلل الكون. هذا هو عالم فيزياء ما دون الكلفن، حيث تسلك المادة سلوكيات كمومية غريبة تكون غير مرئية في درجات الحرارة الأكثر دفئًا. لعقود من الزمن، كانت الأداة القياسية لتحقيق هذا البرد الشديد هي مبرد التمدد (dilution refrigerator)، وهو آلة معقدة تعتمد على خليط من نظيرين نادرين للهيليوم. ومع ذلك، أصبح الهيليوم نادرًا ومكلفًا، مما دفع نحو بحث عالمي عن طرق تبريد بديلة. أحد المسارات الواعدة هو التبريد بالنزع المغناطيسي الكظوم (adiabatic demagnetization refrigeration)، وهي تقنية تستخدم المجالات المغناطيسية لتبريد المواد الصلبة دون أي أجزاء متحركة أو غازات سائلة. تعمل هذه العملية أولًا عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي قوي لمحاذاة الدورات المغناطيسية الصغيرة داخل المادة، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة. وعند إزالة المجال مع عزل المادة، تعود الدورات إلى حالة الفوضى، فتمتص الحرارة من محيطها وتخفض درجة الحرارة. ويكمكن التحدي في العثجد على المادة الصلبة المثالية: إذ يجب أن تحتفظ بقدر كافٍ من الفوضى المغناطيسية لامتصاص كمية كبيرة من الحرارة، ومع ذلك تتفاعل بضعف شديد مع نفسها بحيث لا تتجمد في حالة مرتبة قبل الوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة.
لقد حدد فريق من الباحثين الآن عائلة جديدة من المواد الصلبة التي تقدم حلاً قابلاً للضبط لهذه المشكلة. فمن خلال استبدال عناصر أرضية نادرة مختلفة في نفس البنية البلورية، ابتكروا مبردين متميزين يتفوقان في مراحل مختلفة من عملية التبريد. المواد هي فوسفات تعتمد على البوتاسيوم تحتوي إما على الإيتيربيوم أو الغادولينيوم، وهما معدنان ثقيلان من سلسلة العناصر الأرضية النادرة. وعندما اختبر العلماء هذه المركبات، وجدوا أن نسخة الإيتيربيوم يمكنها الوصول إلى درجة برودة شديدة تبلغ 29.8 ميلي كلفن، وهي درجة حرارة تزيد بجزء ضئيل من الدرجة عن الصفر المطلق. وفي المقابل، لم تستطع نسخة الغادولينيوم الوصول إلى برودة مماثلة، حيث توقفت عند 135.5 ميلي كلفن، لكنها استطاعت الحفاظ على درجة البرودة تلك لفترة أطول بكثير. وينبع هذا الاختلاف من امتلاك العنصرين لبنى مغناطيسية داخلية مختلفة؛ إذ تعمل أيونات الإيتيربيوم مثل مغناطيسات صغيرة ومعزولة تكاد لا تتواصل مع بعضها البعض، مما يسمح لها بالتشتت بسهل والوصول إلى البرودة القصوى. أما أيونات الغادولينيوم، فهي تحمل شحنة مغناطيسية أكبر بكثير وتتفاعل بقوة أكبر، مما يخلق مستودعًا هائلًا من الفوضى يمكنه امتصاص الحرارة لفترة أطول، حتى وإن لم تتمكن من الوصول إلى نفس عمق البرودة.
قام الباحثون بتخليق هذه البلورات في المختبر عن طريق خلط مساحيق عالية النقاء من كربونات البوتاسيوم، وفوسفات الأمونيوم، وأكاسيد العناصر الأرضية النادرة المعنية. وسخنوا هذه الخلطات في فرن لصهر الذرات في شبكة صلبة، ثم طحنوا المادة بعناية وأعادو تسخينها لضمان نقائها. ولفهم الترتيب الداخلي للذرات، أطلقوا النيوترونات على عينة الإيتيربيوم، وهي تقنية تكشف عن مواقع الذرات الخفيفة مثل الأكسجين التي غالبًا ما تخطئها الأشعة السينية. واكتشفوا أنه في كلا المركبين، تشكل أيونات العناصر الأرضية النادرة نمطًا مثلثيًا مشوهًا داخل البلورة. ومن المعروف أن هذا الشكل الهندسي يخلق حالة من "الإحباط" (frustration)، وهي حالة لا تستطيع فيها الدورات المغناطيسية أن تصطف جميعها بشكل مثالي مع جيرانها، مما يبقي المادة في حالة فوضى وجاهزة لامتصاص الحرارة حتى في درجات الحرارة المنخفضة جدًا.
وعندما قاس الفريق كيفية استجابة هذه المواد للمجالات المغناطيسية وتغيرات درجات الحرارة، اتضح الفرق بينهما. تتصرف مركبة الإيتيربيوم كما لو كانت دوراتها المغناطيسية أزواجًا معزولة، وهي حالة تسمح لها بالبقاء غير منظمة حتى أدنى درجات الحرارة التي تم اختبارها. إن الإنتروبيا المغناطيسية الخاصة بها، أو مقياس فوضاها، محدودة بكمية محددة وصغيرة، لكن هذا القيد هو في الواقع ميزة للوصول إلى أدنى درجات الحرارة الممكنة. أما مركبة الغادولينيوم، فهي تحتفظ بسعة أكبر بكثير للفوضى لأن دوراتها أكثر تعقيدًا وتعددًا، ومع ذلك، تتفاعل هذه الدورات بقوة أكبر مع بعضها البعض، مما يمنع المادة من التبريد بعمق مثل نسخة الإيتيربيوم.
وفي اختبار مباشر لقدرتها على التبريد، وضع الباحثون عينات من كلتا المادتين في مجال مغناطيسي ثم خفضوا المجال ببطء إلى الصفر مع عزلهما عن الحرارة. انخفضت درجة حرارة عينة الإيتيربيوم من 2 كلفن أولية إلى رقم قياسي منخفض بلغ 29.8 ميلي كلفن، وظلت تحت 40 ميلي كلفن لمدة ساعة تقريبًا. أما عينة الغادولينيوم فلم تصل إلا إلى 135.5 ميلي كلفن، لكنها حافظت على درجة حرارة أقل من 150 ميلي كلفن لأكثر من ساعة ونصف. وهذا يوضح أن المادتين تؤديان أدوارًا متكاملة: فنسخة الغادولينيوم تعمل كمخزن عالي السعة يمكنه الاحتفاظ بمستوى متوسط من البرودة لفترة طويلة، بينما تعمل نسخة الإيتيربيوم كعامل تجميد عميق قادر على الوصول إلى أكثر درجات الحرارة تطرفًا.
تؤكد الدراسة أن فوسفات البوتاسيوم والعناصر الأرضية النادرة هذه مستقرة كيميائيًا ولا تحتوي على الماء، على عكس أملاح التبريد القديمة التي تميل إلى الجفاف وتفقد فعاليتها. وهذا الاستقرار، إلى جانب القدرة على ضبط خصائص التبريد ببساطة عن طريق تغيير العنصر الأرضي النادر، يشير إلى مسار جديد لبناء أنظمة تبريد مدمجة وخالية من الهيليوم. لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت جميع تحديات التبريد، لكنها توفر مخططًا واضحًا لكيفية هندسة مواد صلبة يمكنها الموازنة بين الحاجة إلى البرودة الشديدة والحاجة إلى الاستقرار الحراري طويل الأمد. ومن خلال فهم كيف تؤثر الطبيعة المغناطيسية المحددة لمختلف العناصر الأرضية النادرة على عملية التبريد، يمكن للعلماء الآن تصميم أنظمة تبريد متعددة المراحل تستخدم مادة واحدة لتبريد العينة مسبقًا وأخرى لدفعها إلى أعمق أغوار العالم الكمومي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.