Rare-earth tuning of magnetic entropy and interaction scales in K(PO) ( = Yb, Gd) for adiabatic demagnetization refrigeration
Cette étude démontre que les doubles phosphates de terres rares alcalines KYb(PO) et KGd(PO), qui sont dépourvus d'ordre magnétique à longue portée jusqu'à 0,1 K, présentent des capacités de réfrigération par désaimantation adiabatique distinctes — atteignant des températures ultra-basses pour la variante Yb et des temps de maintien prolongés pour la variante Gd — établissant ainsi une plateforme chimiquement robuste pour l'ajustement de l'entropie magnétique et des échelles d'interaction afin d'optimiser le refroidissement sub-Kelvin sans hélium.
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Pour atteindre des températures plus froides que la surface de n'importe quelle planète connue, les scientifiques doivent éliminer la chaleur qui imprègne l'univers. C'est le domaine de la physique sub-kelvin, où la matière se comporte de manières quantiques étranges, invisibles à des températures plus chaudes. Pendant des décennies, l'outil standard pour atteindre ce froid extrême a été le réfrigérateur à dilution, une machine complexe qui repose sur un mélange de deux isotopes rares d'hélium. Cependant, l'hélium devient rare et coûteux, ce qui suscite une recherche mondiale de méthodes de refroidissement alternatives. Une voie prometteuse est la réfrigération par désaimantation adiabatique, une technique qui utilise des champs magnétiques pour refroidir des matériaux solides sans aucune pièce mobile ou gaz liquide. Le processus consiste d'abord à appliquer un champ magnétique puissant pour aligner les minuscules spins magnétiques à l'intérieur d'un matériau, ce qui libère de la chaleur. Lorsque le champ est retiré alors que le matériau est isolé, les spins se réorganisent dans le désordre, absorbant la chaleur de leur environnement et faisant chuter la température. Le défi consiste à trouver le matériau solide parfait : il doit posséder suffisamment de désordre magnétique pour absorber une chaleur significative, tout en interagissant si faiblement avec lui-même qu'il ne se fige pas dans un état ordonné avant d'atteindre la température cible.
Une équipe de chercheurs a identifié une nouvelle famille de matériaux solides qui offre une solution ajustable à ce problème. En remplaçant différents éléments de terres rares dans la même structure cristalline, ils ont créé deux réfrigérants distincts qui excellent à différentes étapes du processus de refroidissement. Les matériaux sont des phosphates de potassium contenant soit de l'ytterbium, soit du gadolinium, deux métaux lourds de la série des terres rares. Lorsque les scientifiques ont testé ces composés, ils ont constaté que la version à l'ytterbium pouvait atteindre un froid glacial de 29,8 millikelvins, une température juste au-dessus du zéro absolu. En revanche, la version au gadolinium ne pouvait pas descendre aussi bas, s'arrêtant à 135,5 millikelvins, mais elle pouvait maintenir ce froid pendant beaucoup plus longtemps. Cette différence provient du fait que les deux éléments possèdent des structures magnétiques internes différentes. Les ions d'ytterbium agissent comme de minuscules aimants isolés qui communiquent à peine entre eux, ce qui leur permet de se désordonner facilement et d'atteindre un froid extrême. Les ions de gadolinium, cependant, portent une charge magnétique beaucoup plus grande et interagissent plus fortement, créant un réservoir massif de désordre capable d'absorber la chaleur pendant une durée plus longue, même s'ils ne peuvent pas atteindre la même profondeur de froid.
Les chercheurs ont synthétisé ces cristaux en laboratoire en mélangeant des poudres de haute pureté de carbonate de potassium, de phosphate d'ammonium et des oxydes de terres rares respectifs. Ils ont chauffé les mélanges dans un four pour fusionner les atomes en un réseau solide, puis ont soigneusement broyé et réchauffé le matériau pour s'assurer de sa pureté. Pour comprendre l'arrangement interne des atomes, ils ont bombardé l'échantillon d'ytterbium avec des neutrons, une technique qui révèle la position des atomes légers comme l'oxygène, que les rayons X manquent souvent. Ils ont découvert que dans les deux composés, les ions de terres rares forment un motif triangulaire distordu au sein du cristal. Cette géométrie est connue pour créer de la « frustration », un état où les spins magnétiques ne peuvent pas tous s'aligner parfaitement avec leurs voisins, maintenant ainsi le matériau dans un état de désordre et prêt à absorber la chaleur, même à de très basses températures.
Lorsque l'équipe a mesuré la façon dont ces matériaux réagissaient aux champs magnétiques et aux changements de température, les différences entre les deux sont devenues claires. Le composé d'ytterbium se comporte comme si ses spins magnétiques étaient des paires isolées, un état qui lui permet de rester désordonné jusqu'aux températures les plus basses testées. Son entropie magnétique, ou mesure de son désordre, est limitée à une quantité spécifique et restreinte, mais cette limitation est en réalité un avantage pour atteindre les températures les plus basses possibles. Le composé de gadolinium, quant à lui, conserve une capacité de désordre beaucoup plus grande car ses spins sont plus complexes et nombreux. Cependant, ces spins interagissent plus fortement entre eux, ce qui empêche le matériau de refroidir aussi profondément que la version à l'ytterbium.
Lors d'un test direct de leur pouvoir de refroidissement, les chercheurs ont placé des échantillons des deux matériaux dans un champ magnétique, puis ont réduit lentement le champ jusqu'à zéro tout en les isolant de la chaleur. L'échantillon d'ytterbium est passé d'une température initiale de 2 Kelvin à un record de 29,8 millikelvins, restant en dessous de 40 millikelvins pendant environ une heure. L'échantillon de gadolinium n'a atteint que 135,5 millikelvins, mais il a maintenu une température inférieure à 150 millikelvins pendant plus d'une heure et demie. Cela démontre que les deux matériaux remplissent des rôles complémentaires : la version au gadolinium agit comme un tampon à haute capacité capable de maintenir un niveau de froid modéré pendant longtemps, tandis que la version à l'ytterbium agit comme un agent de congélation profonde capable d'atteindre les températures les plus extrêmes.
L'étude confirme que ces phosphates de potassium et de terres rares sont chimiquement stables et ne contiennent pas d'eau, contrairement aux anciens sels de refroidissement qui ont tendance à s'assécher et à perdre leur efficacité. Cette stabilité, combinée à la possibilité d'ajuster les propriétés de refroidissement simplement en changeant l'élément de terre rare, suggère une nouvelle voie pour la construction de systèmes de refroidissement compacts et sans hélium. Ce travail ne prétend pas avoir résolu tous les défis du refroidissement, mais il fournit un schéma directeur clair sur la manière d'élaborer des matériaux solides capables de balancer le besoin de froid extrême et le besoin de stabilité thermique durable. En comprenant comment la nature magnétique spécifique des différents éléments de terres rares influence le processus de refroidissement, les scientifiques peuvent désormais concevoir des systèmes de réfrigération multi-étagés utilisant un matériau pour le pré-refroidissement d'un échantillon et un autre pour le pousser dans les profondeurs les plus reculées du monde quantique.
Noyé(e) sous les articles dans votre domaine ?
Recevez des digests quotidiens des articles les plus récents correspondant à vos mots-clés de recherche — avec des résumés techniques, dans votre langue.