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

किसी भी ज्ञात ग्रह की सतह से भी कम तापमान तक पहुँचने के लिए, वैज्ञानिकों को उस ऊष्मा को हटाना पड़ता है जो ब्रह्मांड में व्याप्त है। यह सब-केल्विन भौतिकी का क्षेत्र है, जहाँ पदार्थ विचित्र, क्वांटम तरीकों से व्यवहार करता है जो गर्म तापमान पर अदृश्य होते हैं। दशकों से, इस अत्यधिक ठंड को प्राप्त करने के लिए मानक उपकरण 'डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर' रहा है, जो हीलियम के दो दुर्लभ आइसोटोप के मिश्रण पर आधारित एक जटिल मशीन है। हालाँकि, हीलियम दुर्लभ और महंगा होता जा रहा है, जिससे वैकल्पिक शीतलन विधियों की वैश्विक खोज तेज हो गई है। एक आशाजनक मार्ग 'एडियाबेटिक डीमैग्नेटाइजेशन रेफ्रिजरेशन' (adiabatic demagnetization refrigeration) है, एक ऐसी तकनीक जो बिना किसी चलते हुए पुर्जों या तरल गैसों के, ठोस सामग्रियों को ठंडा करने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करती है। यह प्रक्रिया पहले एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाकर सामग्री के भीतर के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन को संरेखित करने से शुरू होती है, जिससे ऊष्मा निकलती है। जब सामग्री को अलग रखते हुए चुंबकीय क्षेत्र को हटाया जाता है, तो स्पिन वापस अव्यवस्था में बिखर जाते हैं, जिससे वे अपने परिवेश से ऊष्मा सोख लेते हैं और तापमान को नीचे ले जाते हैं। चुनौती एक आदर्श ठोस सामग्री खोजने में निहित है: इसे पर्याप्त चुंबकीय अव्यवस्था बनाए रखनी चाहिए ताकि महत्वपूर्ण ऊष्मा को सोख सके, फिर भी यह स्वयं के साथ इतना कमजोर रूप से अंतःक्रिया करे कि लक्षित तापमान तक पहुँचने से पहले एक व्यवस्थित अवस्था में न जम जाए।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ठोस सामग्रियों का एक नया परिवार पहचान लिया है जो इस समस्या का एक ट्यूनेबल (परिवर्तनीय) समाधान प्रदान करता है। एक ही क्रिस्टल संरचना में विभिन्न दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को बदलकर, उन्होंने दो अलग-अलग रेफ्रिजरेंट (शीतलक) बनाए जो शीतलन प्रक्रिया के विभिन्न चरणों में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं। ये सामग्रियां पोटेशियम-आधारित फॉस्फेट हैं जिनमें याटर्बियम (ytterbium) या गैडोलीनियम (gadolinium) शामिल हैं, जो दुर्लभ-पृथ्वी श्रृंखला की दो भारी धातुएं हैं। जब वैज्ञानिकों ने इन यौगिकों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि याटर्बियम संस्करण 29.8 मिलीकेल्विन के हड्डी कंपा देने वाले तापमान तक पहुँच सकता है, जो परम शून्य (absolute zero) से केवल एक अंश ऊपर है। इसके विपरीत, गैडोलीनियम संस्करण उतना ठंडा नहीं हो सका, जो 135.5 मिलीकेल्विन पर रुक गया, लेकिन यह उस ठंडे तापमान को बहुत लंबे समय तक बनाए रख सका। यह अंतर इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि दोनों तत्वों के पास अलग-अलग आंतरिक चुंबकीय संरचनाएं हैं। याटर्बियम आयन छोटे, अलग-थलग चुंबकों की तरह कार्य करते हैं जो आपस में शायद ही कभी संवाद करते हैं, जिससे वे आसानी से बिखर सकते हैं और अत्यधिक ठंड तक पहुँच सकते हैं। हालाँकि, गैडोलीनियम आयन बहुत बड़ा चुंबकीय आवेश वहन करते हैं और अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं, जिससे अव्यवस्था का एक विशाल भंडार बनता है जो लंबे समय तक ऊष्मा को सोख सकता है, भले ही वह उतनी गहराई तक ठंड न पहुँच सके।

शोधकर्ताओं ने पोटेशियम कार्बोनेट, अमोनियम फॉस्फेट और संबंधित दुर्लभ-पृथ्वी ऑक्साइड के उच्च-शुद्ध पाउडर को मिलाकर प्रयोगशाला में इन क्रिस्टलों का संश्लेषण किया। उन्होंने परमाणुओं को एक ठोस जाली (lattice) में फ्यूज करने के लिए मिश्रण को भट्टी में गर्म किया, और फिर सामग्री को शुद्ध सुनिश्चित करने के लिए उसे सावधानीपूर्वक पीसकर फिर से गर्म किया। परमाणुओं की आंतरिक व्यवस्था को समझने के लिए, उन्होंने याटर्बियम नमूने पर न्यूट्रॉन की बौछार की, एक ऐसी तकनीक जो हल्के परमाणुओं जैसे ऑक्सीजन की स्थिति को प्रकट करती है जिसे एक्स-रे अक्सर नहीं देख पाते। उन्होंने पाया कि दोनों यौगिकों में, दुर्लभ-पृथ्वी आयन क्रिस्टल के भीतर एक विकृत त्रिकोणीय पैटर्न बनाते हैं। यह ज्यामिति "फ्रस्ट्रेशन" (frustration) नामक स्थिति पैदा करती है, जहाँ चुंबकीय स्पिन अपने पड़ोसियों के साथ पूरी तरह से संरेखित नहीं हो पाते, जिससे सामग्री अव्यवस्थित रहती है और बहुत कम तापमान पर भी ऊष्मा सोखने के लिए तैयार रहती है।

जब टीम ने मापा कि ये सामग्रियां चुंबकीय क्षेत्रों और तापमान परिवर्तनों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं, तो दोनों के बीच का अंतर स्पष्ट हो गया। याटर्बियम यौगिक इस तरह व्यवहार करता है जैसे इसके चुंबकीय स्पिन अलग-थलग जोड़े हों, एक ऐसी अवस्था जो इसे परीक्षण किए गए सबसे निम्नतम तापमान तक अव्यवस्थित रहने की अनुमति देती है। इसकी चुंबकीय एंट्रॉपी, या अव्यवस्था का माप, एक विशिष्ट, छोटी मात्रा तक सीमित है, लेकिन यह सीमा वास्तव में सबसे कम तापमान तक पहुँचने के लिए एक लाभ है। दूसरी ओर, गैडोलीनियम यौगिक जटिल और अधिक संख्या में स्पिन होने के कारण अव्यवस्था के लिए बहुत बड़ी क्षमता बनाए रखता है। हालाँकि, ये स्पिन आपस में अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं, जो इसे याटर्बियम संस्करण की तुलना में उतनी गहराई तक ठंडा होने से रोकता है।

अपनी शीतलन शक्ति के प्रत्यक्ष परीक्षण में, शोधकर्ताओं ने दोनों नमूनों को एक चुंबकीय क्षेत्र में रखा और फिर सामग्री को ऊष्मा से अलग करते हुए चुंबकीय क्षेत्र को धीरे-धीरे शून्य तक कम कर दिया। याटर्बियम का नमूना 2 केल्विन के प्रारंभिक तापमान से रिकॉर्ड-निम्न 29.8 मिलीकेल्विन तक गिर गया, और लगभग एक घंटे तक 40 मिलीकेल्विन से नीचे रहा। गैडोलीनियम का नमूना केवल 135.5 मिलीकेल्विन तक पहुँचा, लेकिन इसने एक घंटे से अधिक समय तक 150 मिलीकेल्विन से नीचे का तापमान बनाए रखा। यह प्रदर्शित करता है कि दोनों सामग्रियां पूरक भूमिकाएँ निभाती हैं: गैडोलीनियम संस्करण एक उच्च-क्षमता वाले बफर के रूप में कार्य करता है जो लंबे समय तक मध्यम स्तर की ठंड बनाए रख सकता है, जबकि याटर्बियम संस्करण एक डीप-फ्रीज एजेंट के रूप में कार्य करता है जो सबसे चरम तापमान तक पहुँचने में सक्षम है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि ये पोटेशियम दुर्लभ-पृथ्वी फॉस्फेट रासायनिक रूप से स्थिर हैं और इनमें पानी नहीं है, जैसा कि पुराने शीतलन लवणों में होता है जो सूख जाते हैं और अपनी प्रभावशीलता खो देते हैं। यह स्थिरता, और केवल दुर्लभ-पृथ्वी तत्व को बदलकर शीतलन गुणों को ट्यून करने की क्षमता, हीलियम-मुक्त शीतलन प्रणालियों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग सुझाती है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने सभी शीतलन चुनौतियों को हल कर दिया है, लेकिन यह यह बताने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे ऐसी ठोस सामग्रियां इंजीनियर की जा सकती हैं जो अत्यधिक ठंड की आवश्यकता और लंबे समय तक चलने वाली थर्मल स्थिरता की आवश्यकता के बीच संतुलन बना सकें। विभिन्न दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की विशिष्ट चुंबकीय प्रकृति शीतलन प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करती है, इसे समझकर, वैज्ञानिक अब ऐसे मल्टी-स्टेज रेफ्रिजरेशन सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जो एक सामग्री का उपयोग नमूने को प्री-कूल करने के लिए और दूसरी का उपयोग उसे क्वांटम जगत की गहराइयों तक धकेलने के लिए कर सकते हैं।