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

Per raggiungere le temperature più fredde conosciute dalla scienza, i ricercatori devono superare la natura stessa del calore. Nel campo dell'informatica quantistica e dei sensori ultra-sensibili, l'obiettivo è spesso quello di raffreddare i materiali a una frazione di grado sopra lo zero assoluto, uno stato in cui i fremiti caotici degli atomi rallentano fino a un quasi fermo. Uno dei modi più efficaci per ottenere questo risultato è attraverso un processo chiamato demagnetizzazione adiabatica. Immaginate una spugna che assorbe acqua; in questo caso, un materiale magnetico assorbe l'energia termica quando viene applicato un campo magnetico. Se poi si rimuove quel campo mentre il materiale è isolato dal suo ambiente, il materiale deve utilizzare il proprio calore interno per riorganizzare i propri atomi magnetici, causando un crollo della sua temperatura. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a sali specifici per compiere questo trucco, ma questi materiali hanno dei limiti. Spesso non riescono a diventare abbastanza freddi per gli esperimenti più avanzati, oppure mancano della densità necessaria per raffreddare grandi sistemi in modo efficiente. La ricerca si è concentrata su una nuova classe di materiali che possano spingere ulteriormente questi confini, offrendo sia la capacità di raggiungere temperature più basse sia la capacità di contenere maggiore potenza di raffreddamento in uno spazio ridotto.

Un team di ricercatori in Germania ha identificato una nuova e promettente famiglia di materiali che potrebbe risolvere questo problema. Si sono concentrati su due composti specifici, l'antimoniato di bario gadolinio e l'antimoniato di stronzio gadolinio, che sono costruiti su una struttura cristallina nota come doppia perovskite. Questi materiali sono carichi di ioni di gadolinio, ovvero atomi magnetici noti per la loro capacità di immagazzinare una grande quantità di entropia, o disordine, una proprietà essenziale per un raffreddamento efficace. I ricercatori hanno sintetizzato questi composti e li hanno sottoposti a test rigorosi per vedere come si comportassero sotto campi magnetici e temperature estreme. Ciò che hanno scoperto è che la disposizione unica degli atomi in questi cristalli crea uno stato di "frustrazione". In questo contesto, la frustrazione non significa che gli atomi siano infastiditi; piuttosto, descrive una situazione geometrica in cui gli atomi magnetici non possono tutti allinearsi in un modello semplice e ordinato perché la forma del reticolo cristallino li costringe in posizioni contrastanti. Questo conflitto impedisce agli atomi di incastrarsi in un ordine magnetico rigido fino a quando la temperatura non scende a livelli incredibilmente bassi, mantenendoli in uno stato disordinato e ad alta energia, perfetto per la refrigerazione.

Il team ha misurato le prestazioni di questi materiali partendo da una temperatura di due Kelvin e un campo magnetico di cinque Tesla, riducendo poi lentamente il campo per vedere quanto potessero raffreddarsi. I risultati sono stati sorprendenti. Il composto di bario si è raffreddato fino a 67 millikelvin, mentre la versione di stronzio ha raggiunto i 68 millikelvin, anche in presenza di un piccolo campo magnetico. Quando il campo è stato rimosso completamente, il composto di bario ha raggiunto gli 83 millikelvin e il composto di stronzio ha raggiunto i 78 millikelvin. Queste sono le temperature più basse mai riportate per magneti basati sul gadolinio in queste specifiche condizioni. Per dare un termine di paragone, queste temperature sono circa un millesimo della temperatura di una tipica giornata invernale, eppure sono state raggiunte utilizzando un materiale che è molto più compatto e potente dei tradizionali sali usati in passato. I ricercatori hanno anche osservato che il composto di bario poteva mantenere temperature al di sotto dei 100 millikelvin anche quando veniva applicato un campo magnetico di 0,5 Tesla, una caratteristica che lo rende particolarmente utile per esperimenti che richiedono un ambiente magnetico, come lo studio dei superconduttori.

Il segreto di questo successo risiede nel delicato equilibrio di forze all'interno del cristallo. Gli atomi di gadolinio sono disposti in una rete di tetraedri, una forma che frustra naturalmente il loro allineamento magnetico. I ricercatori hanno scoperto che le interazioni magnetiche tra questi atomi sono deboli, ma competono con un'altra forza chiamata interazione dipolare, che deriva dalla natura magnetica degli atomi stessi. Questa competizione, combinata con la frustrazione geometrica, sopprime la temperatura alla quale il materiale normalmente si congelerebbe in uno stato magnetico solido. Per il composto di bario, questa temperatura di ordinamento è di circa 100 millikelvin, e per il composto di stronzio è di circa 190 millikelvin. Poiché il materiale rimane disordinato fino a queste temperature incredibilmente basse, conserva una enorme quantità di entropia che può essere sfruttata per il raffreddamento. Lo studio ha anche rivelato che il composto di bario subisce due transizioni magnetiche distinte, un comportamento raro che suggerisce un complesso intreccio di forze che i ricercatori stanno ancora cercando di comprendere appieno.

Queste scoperte rappresentano un passo avanti significativo nello sviluppo della refrigerazione a temperature ultra-basse. A differenza di molti altri materiali di raffreddamento ad alte prestazioni che si affidano a sostanze chimiche tossiche o metodi di sintesi complessi, queste doppie perovskiti sono non tossiche e possono essere facilmente lavorate in pellet. Esse offrono una combinazione di alta potenza di raffreddamento e la capacità di raggiungere temperature record mai viste prima in sistemi basati sul gadolinio. I ricercatori hanno dimostrato che, ingegnerizzando attentamente la struttura cristallina per massimizzare la frustrazione e minimizzare l'ordinamento magnetico, è possibile creare materiali che superano lo stato dell'arte attuale. Questo lavoro apre la porta a sistemi di raffreddamento più efficienti e potenti, che potrebbero sostenere la prossima generazione di tecnologie quantistiche e permettere agli scienziati di esplorare le leggi fondamentali della fisica in regimi precedentemente inaccessibili. La capacità di raggiungere queste temperature in modo affidabile e sicuro suggerisce che questi materiali potrebbero diventare uno strumento standard nei laboratori dedicati a spingere i confini del freddo.