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

Para alcanzar las temperaturas más frías conocidas por la ciencia, los investigadores deben ser más astutos que la propia naturaleza del calor. En el ámbito de la computación cuántica y los sensores ultrasensibles, el objetivo suele ser enfriar materiales a una fracción de grado por encima del cero absoluto, un estado donde los temblores caóticos de los átomos se ralentizan hasta casi detenerse. Una de las formas más eficaces de lograr esto es mediante un proceso llamado desmagnetización adiabática. Imagine una esponja absorbiendo agua; en este caso, un material magnético absorbe energía térmica cuando se aplica un campo magnético. Si luego retira ese campo mientras el material está aislado de su entorno, el material debe utilizar su propio calor interno para reorganizar sus átomos magnéticos, lo que provoca que su temperatura caiga en picado. Durante décadas, los científicos han dependido de sales específicas para realizar este truco, pero estos materiales tienen limitaciones. A menudo no pueden alcanzar la suficiente frialdad para los experimentos más avanzados, o carecen de la densidad necesaria para enfriar sistemas grandes de manera eficiente. La búsqueda se ha centrado en una nueva clase de materiales que puedan superar estos límites, ofreciendo tanto la capacidad de alcanzar temperaturas más bajas como la capacidad de contener más potencia de enfriamiento en un espacio más pequeño.

Un equipo de investigadores en Alemania ha identificado una nueva y prometedora familia de materiales que puede resolver este problema. Se centraron en dos compuestos específicos, el antimoniato de bario y gadolinio y el antimoniato de estroncio y gadolinio, que están construidos a partir de una estructura cristalina conocida como perovskita doble. Estos materiales están repletos de iones de gadolinio, que son átomos magnéticos conocidos por su capacidad para almacenar una gran cantidad de entropía, o desorden, una propiedad esencial para un enfriamiento eficaz. Los investigadores sintetizaron estos compuestos y los sometieron a pruebas rigurosas para ver cómo se comportaban bajo frío extremo y campos magnéticos. Lo que descubrieron fue que la disposición única de los átomos en estos cristales crea un estado de "frustración". En este contexto, la frustración no significa que los átomos estén molestos; más bien, describe una situación geométrica en la que los átomos magnéticos no pueden alinearse todos en un patrón simple y ordenado porque la forma de la red cristalina los obliga a ocupar posiciones conflictivas. Este conflicto evita que los átomos se bloqueen en un orden magnético rígido hasta que la temperatura desciende a niveles increíblemente bajos, manteniéndolos en un estado desordenado de alta energía que es perfecto para la refrigeración.

El equipo midió el rendimiento de estos materiales comenzando a una temperatura de dos Kelvin y un campo magnético de cinco Teslas, reduciendo lentamente el campo para ver qué tan frío podían llegar. Los resultados fueron sorprendentes. El compuesto de bario se enfrió hasta los 67 milikelvin, mientras que la versión de estroncio alcanzó los 68 milikelvin, incluso cuando todavía había un pequeño campo magnético presente. Cuando se retiró el campo por completo, el compuesto de bario alcanzó los 83 milikelvin y el compuesto de estroncio llegó a los 78 milikelvin. Estas son las temperaturas más bajas jamás reportadas para imanes basados en gadolinio bajo estas condiciones específicas. Para poner esto en perspectiva, estas temperaturas son aproximadamente una milésima de la temperatura de un día típico de invierno, pero se lograron utilizando un material que es mucho más compacto y potente que las sales tradicionales utilizadas en el pasado. Los investigadores también observaron que el compuesto de bario podía mantener temperaturas por debajo de los 100 milikelvin incluso cuando se aplicaba un campo magnético de 0,5 Tesla, una característica que lo hace particularmente útil para experimentos que requieren un entorno magnético, como el estudio de superconductores.

El secreto de este éxito reside en el delicado equilibrio de fuerzas dentro del cristal. Los átomos de gadolinio están dispuestos en una red de tetraedros, una forma que naturalmente frustra su alineación magnética. Los investigadores descubrieron que las interacciones magnéticas entre estos átomos son débiles, pero compiten con otra fuerza llamada interacción dipolar, que surge de la naturaleza magnética de los propios átomos. Esta competencia, combinada con la frustración geométrica, suprime la temperatura a la que el material normalmente se congelaría en un estado magnético sólido. Para el compuesto de bario, esta temperatura de ordenamiento es de alrededor de 100 milikelvin, y para el compuesto de estroncio, es de alrededor de 190 milikelvin. Debido a que el material permanece desordenado hasta estas temperaturas increíblemente bajas, retiene una enorme cantidad de entropía que puede ser aprovechada para el enfriamiento. El estudio también reveló que el compuesto de bario experimenta dos transiciones magnéticas distintas, un comportamiento raro que sugiere una compleja interacción de fuerzas que los investigadores aún están tratando de comprender plenamente.

Estos hallazgos representan un paso significativo en el desarrollo de la refrigeración de ultra-baja temperatura. A diferencia de muchos otros materiales de alto rendimiento que dependen de productos químicos tóxicos o métodos de síntesis complejos, estas perovskitas dobles no son tóxicas y pueden procesarse fácilmente en forma de pellets. Ofrecen una combinación de alta potencia de enfriamiento y la capacidad de alcanzar temperaturas récord que no se habían visto antes en sistemas basados en gadolinio. Los investigadores demostraron que, al diseñar cuidadosamente la estructura cristalina para maximizar la frustración y minimizar el orden magnético, es posible crear materiales que superen el estado del arte actual. Este trabajo abre la puerta a sistemas de enfriamiento más eficientes y potentes, que podrían dar soporte a la próxima generación de tecnologías cuánticas y permitir a los científicos explorar las leyes fundamentales de la física en regímenes que antes eran inaccesibles. La capacidad de alcanzar estas temperaturas de manera fiable y segura sugiere que estos materiales podrían convertirse en una herramienta estándar en los laboratorios dedicados a expandir los límites del frío.