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

विज्ञान द्वारा ज्ञात सबसे ठंडे तापमान तक पहुँचने के लिए, शोधकर्ताओं को ऊष्मा की प्रकृति को मात देनी पड़ती है। क्वांटम कंप्यूटिंग और अति-संवेदनशील सेंसरों के क्षेत्र में, लक्ष्य अक्सर सामग्रियों को परम शून्य (absolute zero) से एक अंश ऊपर तक ठंडा करना होता है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ परमाणुओं की अराजक हलचल लगभग स्थिर हो जाती है। इसे प्राप्त करने का सबसे प्रभावी तरीका 'एडियाबेटिक डीमैग्नेटाइजेशन' (adiabatic demagnetization) नामक प्रक्रिया है। एक स्पंज की कल्पना करें जो पानी सोखता है; इस मामले में, एक चुंबकीय सामग्री तब तापीय ऊर्जा सोखती है जब उस पर चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है। यदि आप फिर उस क्षेत्र को हटा देते हैं जबकि सामग्री अपने परिवेश से अलग (isolated) होती है, तो सामग्री को अपने स्वयं के आंतरिक ताप का उपयोग अपने चुंबकीय परमाणुओं को पुनर्गठित करने के लिए करना पड़ता है, जिससे उसका तापमान तेजी से गिर जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस तकनीक को अंजाम देने के लिए विशिष्ट लवणों (salts) पर निर्भर रहे हैं, लेकिन इन सामग्रियों की सीमाएँ हैं। वे अक्सर सबसे उन्नत प्रयोगों के लिए पर्याप्त ठंडे नहीं हो पाते, या उनमें बड़े सिस्टम को कुशलतापूर्वक ठंडा करने के लिए आवश्यक घनत्व की कमी होती है। एक नए वर्ग की सामग्रियों की खोज जारी है जो इन सीमाओं को और आगे बढ़ा सकें, जो कम तापमान तक पहुँचने की क्षमता और छोटे स्थान में अधिक शीतलन शक्ति (cooling power) रखने की क्षमता, दोनों प्रदान करें।

जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सामग्रियों के एक आशाजनक नए परिवार की पहचान की है जो इस समस्या का समाधान कर सकते हैं। उन्होंने दो विशिष्ट यौगिकों, बेरियम गैडोलीनियम एंटीमोनेट और स्ट्रोंटियम गैडोलीनियम एंटीमोनेट पर ध्यान केंद्रित किया, जो 'डबल पेरोव्स्काइट' (double perovskite) नामक क्रिस्टल संरचना से बने हैं। ये सामग्रियाँ गैडोलीनियम आयनों से भरी हुई हैं, जो चुंबकीय परमाणु हैं और अपनी बड़ी मात्रा में एंट्रॉपी (entropy), या अव्यवस्था, को संग्रहीत करने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं, जो प्रभावी शीतलन के लिए एक आवश्यक गुण है। शोधकर्ताओं ने इन यौगिकों का संश्लेषण किया और अत्यधिक ठंड और चुंबकीय क्षेत्रों के तहत उनके व्यवहार को देखने के लिए उनका कठोर परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि इन क्रिस्टल में परमाणुओं की अनूठी व्यवस्था "फ्रस्ट्रेशन" (frustration) की स्थिति पैदा करती है। इस संदर्भ में, फ्रस्ट्रेशन का अर्थ यह नहीं है कि परमाणु परेशान हैं; बल्कि, यह एक ज्यामितीय स्थिति का वर्णन करता है जहाँ चुंबकीय परमाणु एक सरल, व्यवस्थित पैटर्न में संरेखित नहीं हो सकते क्योंकि क्रिस्टल जाली (lattice) का आकार उन्हें परस्पर विरोधी स्थितियों में धकेलता है। यह संघर्ष परमाणुओं को अविश्वसनीय रूप से कम तापमान तक ठोस चुंबकीय क्रम में लॉक होने से रोकता है, जिससे वे एक अव्यवस्थित, उच्च-ऊर्जा अवस्था में रहते हैं जो रेफ्रिजरेशन के लिए एकदम सही है।

टीम ने इन सामग्रियों के प्रदर्शन को दो केल्विन के तापमान और पांच टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र पर शुरू करके मापा, और फिर क्षेत्र को धीरे-धीरे कम करके यह देखा कि वे कितने ठंडे हो सकते हैं। परिणाम आश्चर्यजनक थे। बेरियम यौगिक 67 मिलीकेल्विन तक ठंडा हुआ, जबकि स्ट्रोंटियम संस्करण 68 मिलीकेल्विन तक पहुँचा, भले ही एक छोटा चुंबकीय क्षेत्र मौजूद था। जब क्षेत्र को पूरी तरह से हटा दिया गया, तो बेरियम यौगिक 83 मिलीकेल्विन और स्ट्रोंटियम यौगिक 78 मिलीकेल्विन तक पहुँच गया। इन विशिष्ट परिस्थितियों के तहत गैडोलीनियम आधारित चुंबकों के लिए रिपोर्ट किए गए ये सबसे कम तापमान हैं। इसे समझने के लिए, ये तापमान एक सामान्य सर्दियों के दिन के तापमान के लगभग एक-हजारवें हिस्से के बराबर हैं, फिर भी इन्हें एक ऐसी सामग्री का उपयोग करके प्राप्त किया गया जो पारंपरिक लवणों की तुलना में बहुत अधिक सघन और शक्तिशाली है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि बेरियम यौगिक 0.5 टेस्ला का चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर भी 100 मिलीकेल्विन से नीचे के तापमान को बनाए रख सकता है, जो एक ऐसी विशेषता है जो इसे उन प्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयोगी बनाती है जिनमें चुंबकीय वातावरण की आवश्यकता होती है, जैसे कि सुपरकंडक्टर्स (superconductors) का अध्ययन करना।

इस सफलता का रहस्य क्रिस्टल के भीतर बलों के नाजुक संतुलन में निहित है। गैडोलीनियम परमाणुओं को टेट्राहेड्रा (tetrahedra) के नेटवर्क में व्यवस्थित किया गया है, एक ऐसा आकार जो स्वाभाविक रूप से उनके चुंबकीय संरेखण को बाधित (frustrate) करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन परमाणुओं के बीच चुंबकीय संपर्क कमजोर हैं, लेकिन वे एक अन्य बल के साथ प्रतिस्पर्धा कर रहे हैं जिसे 'डिपोलर इंटरैक्शन' (dipolar interaction) कहा जाता है, जो परमाणुओं की चुंबकीय प्रकृति से उत्पन्न होता है। यह प्रतिस्पर्धा, ज्यामितीय फ्रस्ट्रेशन के साथ मिलकर, उस तापमान को दबा देती है जिस पर सामग्री सामान्य रूप से एक ठोस चुंबकीय अवस्था में जम जाती है। बेरियम यौगिक के लिए, यह व्यवस्था तापमान लगभग 100 मिलीकेल्विन है, और स्ट्रोंटियम यौगिक के लिए, यह लगभग 190 मिलीकेल्विन है। क्योंकि सामग्री इन अविश्वसनीय रूप से कम तापमान तक अव्यवस्थित रहती है, इसलिए यह भारी मात्रा में एंट्रॉपी बनाए रखती है जिसे शीतलन के लिए उपयोग किया जा सकता है। अध्ययन से यह भी पता चला कि बेरियम यौगिक दो अलग-अलग चुंबकीय संक्रमणों (magnetic transitions) से गुजरता है, जो एक दुर्लभ व्यवहार है जो बलों के एक जटिल अंतर्संबंध का सुझाव देता है जिसे शोधकर्ता अभी भी पूरी तरह से समझने का प्रयास कर रहे हैं।

ये निष्कर्ष अल्ट्रा-लो-टेम्परेचर रेफ्रिजरेशन के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करते हैं। अन्य कई उच्च-प्रदर्शन वाली शीतलन सामग्रियों के विपरीत, जो जहरीले रसायनों या जटिल संश्लेषण विधियों पर निर्भर करती हैं, ये डबल पेरोव्स्काइट्स गैर-विषाक्त हैं और इन्हें आसानी से पेलेट्स (pellets) के रूप में संसाधित किया जा सकता है। वे उच्च शीतलन शक्ति और रिकॉर्ड-लो तापमान तक पहुँचने की क्षमता का एक संयोजन प्रदान करते हैं जो गैडोलीनियम-आधारित प्रणालियों में पहले कभी नहीं देखा गया है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि क्रिस्टल संरचना को फ्रस्ट्रेशन को अधिकतम करने और चुंबकीय व्यवस्था को न्यूनतम करने के लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, ऐसी सामग्रियाँ बनाई जा सकती हैं जो वर्तमान अत्याधुनिक तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन करती हैं। यह कार्य अधिक कुशल और शक्तिशाली शीतलन प्रणालियों के विकास का मार्ग प्रशस्त करता है, जो अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों का समर्थन कर सकता है और वैज्ञानिकों को उन भौतिक नियमों की खोज करने की अनुमति दे सकता है जो पहले अप्राप्य थे। इन तापमानों तक विश्वसनीय और सुरक्षित रूप से पहुँचने की क्षमता यह बताती है कि ये सामग्रियाँ ठंडे के चरम सीमाओं को छूने के लिए समर्पित प्रयोगशालाओं में एक मानक उपकरण बन सकती हैं।