Rare-earth tuning of magnetic entropy and interaction scales in K$_3$$Ln$(PO$_4$)$_2$ ($Ln$ = Yb, Gd) for adiabatic demagnetization refrigeration

Um Temperaturen zu erreichen, die kälter sind als die Oberfläche eines jeden bekannten Planeten, müssen Wissenschaftler die Wärme entfernen, die das Universum durchdringt. Dies ist das Reich der Sub-Kelvin-Physik, in der Materie auf seltsame, quantenmechanische Weise reagiert, die bei wärmeren Temperaturen unsichtbar ist. Jahrzehntelang war das Standardwerkzeug zur Erreichung dieser extremen Kälte der Verdünnungskühlschrank, eine komplexe Maschine, die auf einer Mischung aus zwei seltenen Helium-Isotopen basiert. Helium wird jedoch immer knapper und teurer, was eine weltweite Suche nach alternativen Kühlmethoden anstößt. Ein vielversprechender Weg ist die adiabatische Entmagnetisationskühlung, eine Technik, die Magnetfelder nutzt, um feste Materialien ohne bewegliche Teile oder gasförmige Flüssigkeiten zu kühlen. Der Prozess funktioniert dadurch, dass zunächst ein starkes Magnetfeld angelegt wird, um die winzigen magnetischen Spins im Inneren eines Materials auszurichten, was Wärme freisetzt. Wenn das Feld entfernt wird, während das Material isoliert ist, ordnen sich die Spins wieder ungeordnet an, absorbieren Wärme aus ihrer Umgebung und treiben die Temperatur nach unten. Die Herausforderung besteht darin, das perfekte feste Material zu finden: Es muss genug magnetische Unordnung besitzen, um signifikante Wärme zu absorbieren, sich aber gleichzeitig so schwach mit sich selbst interagieren, dass es nicht in einen geordneten Zustand erstarrt, bevor die Zieltemperatur erreicht wird.

Ein Forscherteam hat nun eine neue Familie fester Materialien identifiziert, die eine anpassbare Lösung für dieses Problem bietet. Durch den Austausch verschiedener Seltenerdelemente in derselben Kristallstruktur schufen sie zwei unterschiedliche Kältemittel, die sich in verschiedenen Stadien des Kühlprozesses auszeichnen. Bei den Materialien handelt es sich um Kalium-basierte Phosphate, die entweder Ytterbium oder Gadolinium enthalten, zwei schwere Metalle aus der Reihe der Seltenerdelemente. Als die Wissenschaftler diese Verbindungen testeten, fanden sie, dass die Ytterbium-Version eine eisige Temperatur von 29,8 Millikelvin erreichen konnte, eine Temperatur, die nur einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt liegt. Im Gegensatz dazu konnte die Gadolinium-Version nicht ganz so kalt werden und stoppte bei 135,5 Millikelvin, konnte aber diese kalte Temperatur über eine viel längere Zeit halten. Dieser Unterschied ergibt sich daraus, dass die beiden Elemente unterschiedliche interne magnetische Strukturen besitzen. Die Ytterbium-Ionen wirken wie winzige, isolierte Magnete, die kaum miteinander kommunizieren, was es ihnen ermöglicht, leicht ungeordnet zu werden und extreme Kälte zu erreichen. Die Gadolinium-Ionen hingegen tragen eine viel größere magnetische Ladung und interagieren stärker, wodurch sie ein massives Reservoir an Unordnung schaffen, das Wärme über eine längere Dauer absorbieren kann, auch wenn sie nicht dieselbe Kältetiefe erreichen können.

Die Forscher synthetisierten diese Kristalle in einem Labor, indem sie hochreine Pulver aus Kaliumcarbonat, Ammoniumphosphat und den jeweiligen Seltenerdoxiden mischten. Sie erhitzten die Mischungen in einem Ofen, um die Atome zu einem festen Gitter zu verschmelzen, und mahlten das Material anschließend sorgfältig auf und erhitzten es erneut, um sicherzustellen, dass es rein war. Um die interne Anordnung der Atome zu verstehen, beschossen sie die Ytterbium-Probe mit Neutronen, eine Technik, die die Positionen leichter Atome wie Sauerstoff offenbart, welche Röntgenstrahlen oft übersehen. Sie entdeckten, dass in beiden Verbindungen die Seltenerd-Ionen ein verzerrtes Dreiecksmuster innerhalb des Kristalls bilden. Diese Geometrie erzeugt eine sogenannte „Frustration“, einen Zustand, in dem die magnetischen Spins nicht alle perfekt mit ihren Nachbarn ausrichten können, was das Material ungeordnet hält und bereit macht, selbst bei sehr niedrigen Temperaturen Wärme zu absorbieren.

Als das Team maß, wie diese Materialien auf Magnetfelder und Temperaturänderungen reagierten, wurden die Unterschiede zwischen den beiden deutlich. Die Ytterbium-Verbindung verhält sich so, als seien ihre magnetischen Spins isolierte Paare, ein Zustand, der es ihr ermöglicht, bis zu den niedrigsten getesteten Temperaturen ungeordnet zu bleiben. Ihre magnetische Entropie, also das Maß ihrer Unordnung, ist auf eine spezifische, kleine Menge begrenzt, aber diese Einschränkung ist tatsächlich ein Vorteil, um die niedrigstmöglichen Temperaturen zu erreichen. Die Gadolinium-Verbindung hingegen behält eine viel größere Kapazität für Unordnung, da ihre Spins komplexer und zahlreicher sind. Diese Spins interagieren jedoch stärker miteinander, was verhindert, dass das Material so tief abkühlt wie die Ytterbium-Version.

In einem direkten Test ihrer Kühlleistung legten die Forscher Proben beider Materialien in ein Magnetfeld und reduzierten das Feld dann langsam auf Null, während sie sie von Wärme isolierten. Die Ytterbium-Probe sank von einer Anfangstemperatur von 2 Kelvin auf einen Rekordtieftwert von 29,8 Millikelvin und blieb etwa eine Stunde lang unter 40 Millikelvin. Die Gadolinium-Probe erreichte nur 135,5 Millikelvin, hielt aber eine Temperatur von unter 150 Millikelvin für über anderthalb Stunden. Dies zeigt, dass die beiden Materialien komplementäre Rollen erfüllen: Die Gadolinium-Version fungiert als Hochkapazitäts-Puffer, der eine moderate Kälte über lange Zeit halten kann, während die Ytterbium-Version als Tiefkühlmittel dient, das in der Lage ist, die extremsten Temperaturen zu erreichen.

Die Studie bestätigt, dass diese Kalium-Seltenerd-Phosphate chemisch stabil sind und kein Wasser enthalten, im Gegensatz zu älteren Kühlsalzen, die dazu neigen auszutrocknen und ihre Wirksamkeit zu verlieren. Diese Stabilität, kombase mit der Möglichkeit, die Kpieleigenschaften einfach durch den Wechsel des Seltenerdelements anzupassen, deutet auf einen neuen Weg für den Bau kompakter, heliumfreier Kühlsysteme hin. Die Arbeit beansprucht nicht, alle Kühlherausforderungen gelöst zu haben, bietet aber einen klaren Bauplan dafür, wie man feste Materialien konstruiert, die die Balance zwischen dem Bedarf an extremer Kälte und dem Bedarf an langanhaltender thermischer Stabilität halten können. Durch das Verständnis darüber, wie die spezifische magnetische Natur verschiedener Seltenerdelemente den Kühlprozess beeinflusst, können Wissenschaftler nun mehrstufige Kühlsysteme entwerfen, die ein Material zur Vorkühlung einer Probe verwenden und ein anderes, um sie in die tiefsten Bereiche der Quantenwelt zu führen.