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

Per raggiungere temperature più fredde della superficie di qualsiasi pianeta noto, gli scienziati devono eliminare il calore che permea l'universo. Questo è il regno della fisica sub-kelvin, dove la materia si comporta in modi quantistici strani, invisibili alle temperature più calde. Per decenni, lo strumento standard per raggiungere questo freddo estremo è stato il refrigeratore a diluizione, una macchina complessa che si basa su una miscela di due isotopi rari dell'elio. Tuttavia, l'elio sta diventando scarso e costoso, stimolando una ricerca globale di metodi di raffreddamento alternativi. Una via promettente è la refrigerazione per demagnetizzazione adiabatica, una tecnica che utilizza campi magnetici per raffreddare materiali solidi senza parti in movimento o gas liquidi. Il processo funziona applicando prima un forte campo magnetico per allineare i minuscoli spin magnetici all'interno di un materiale, il che rilascia calore. Quando il campo viene rimosso mentre il materiale è isolato, gli spin tornano disordinatamente al loro stato originale, assorbendo calore dal loro ambiente e facendo scendere la temperatura. La sfida consiste nel trovare il materiale solido perfetto: deve possedere abbastanza disordine magnetico da assorbire una quantità significativa di calore, ma deve interagire così debolmente con se stesso da non congelare in uno stato ordinato prima di raggiungere la temperatura desiderata.

Un team di ricercatori ha identificato ora una nuova famiglia di materiali solidi che offre una soluzione modulabile a questo problema. Sostituendo diversi elementi delle terre rare all'interno della stessa struttura cristallina, hanno creato due refrigeranti distinti che eccellono in diverse fasi del processo di raffreddamento. I materiali sono fosfati a base di potassio contenenti entweder ytterbio o gadolinio, due metalli pesanti della serie delle terre rare. Quando gli scienziati hanno testato questi composti, hanno scoperto che la versione con l'ytterbio poteva raggiungere un freddo da brividi di 29,8 millikelvin, una temperatura di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto. Al contrario, la versione con il gadolinio non riusciva ad arrivare così fredda, fermandosi a 135,5 millikelvin, ma poteva mantenere quella temperatura fredda per molto più tempo. Questa differenza deriva dal fatto che i due elementi possiedono diverse strutture magnetiche interne. Gli ioni di ytterbio agiscono come piccoli magneti isolati che si parlano appena, permettendo loro di disperdersi facilmente e raggiungere un freddo estremo. Gli ioni di gadolinio, invece, portano una carica magnetica molto più grande e interagiscono più fortemente, creando un enorme serbatoio di disordine che può assorbire calore per una durata maggiore, anche se non può raggiungere la stessa profondità di freddo.

I ricercatori hanno sintetizzato questi cristalli in laboratorio mescolando polveri ad alta purezza di carbonato di potassio, fosfato di ammonio e i rispettivi ossidi di terre rare. Hanno riscaldato le miscele in un forno per fondere gli atomi in un reticolo solido, poi hanno macinato con cura e riscaldato nuovamente il materiale per garantirne la purezza. Per comprendere la disposizione interna degli atomi, hanno bombardato il campione di ytterbio con neutroni, una tecnica che rivela le posizioni degli atomi leggeri come l'ossigeno, che i raggi X spesso perdono. Hanno scoperto che in entrambi i composti, gli ioni di terre rare formano un modello triangolare distorto all'interno del cristallo. Questa geometria è nota per creare "frustrazione", uno stato in cui gli spin magnetici non possono allinearsi perfettamente con i propri vicini, mantenendo il materiale disordinato e pronto ad assorbire calore anche alle temperature più basse.

Quando il team ha misurato come questi materiali rispondevano ai campi magnetici e alle variazioni di temperatura, le differenze tra i due sono diventate chiare. Il composto di ytterbio si comporta come se i suoi spin magnetici fossero coppie isolate, uno stato che gli permette di rimanere disordinato fino alle temperature più basse testate. La sua entropia magnetica, ovvero la misura del suo disordine, è limitata a una quantità specifica e piccola, ma questa limitazione è in realtà un vantaggio per raggiungere le temperature più basse possibili. Il composto di gadolinio, d'altra parte, mantiene una capacità di disordine molto più grande perché i suoi spin sono più complessi e numerosi. Tuttavia, questi spin interagiscono più fortemente tra loro, il che impedisce al materiale di raffreddarsi profondamente quanto la versione con l'ytterbio.

In un test diretto della loro capacità di raffreddamento, i ricercatori hanno posto campioni di entrambi i materiali in un campo magnetico e poi hanno ridotto lentamente il campo a zero mentre li isolavano dal calore. Il campione di ytterbio è sceso da una temperatura iniziale di 2 Kelvin a un record di 29,8 millikelvin, rimanendo sotto i 40 millikelvin per circa un'ora. Il campione di gadolinio è arrivato solo a 135,5 millikelvin, ma ha mantenuto una temperatura inferiore a 150 millikelvin per oltre un'ora e mezza. Ciò dimostra che i due materiali svolgono ruoli complementari: la versione con il gadolinio agisce come un buffer ad alta capacità che può mantenere un livello moderato di freddo per molto tempo, mentre la versione con l'ytterbio agisce come un agente di congelamento profondo capace di raggiungere le temperature più estreme.

Lo studio conferma che questi fosfati di potassio e terre rare sono chimicamente stabili e non contengono acqua, a differenza dei vecchi sali di raffreddamento che tendono ad asciugarsi e perdere la loro efficacia. Questa stabilità, unita alla possibilità di modulare le proprietà di raffreddamento semplicemente cambiando l'elemento delle terre rare, suggerisce una nuova via per costruire sistemi di raffreddamento compatti e privi di elio. Il lavoro non sostiene di aver risolto tutte le sfide del raffreddamento, ma fornisce una chiara tabella di marcia su come progettare materiali solidi che possano bilanciare la necessità di freddo estremo con la necessità di stabilità termica duratura. Comprendendo come la specifica natura magnetica di diversi elementi delle terre rare influenzi il processo di raffreddamento, gli scienziati possono ora progettare sistemi di refrigerazione multistadio che utilizzano un materiale per il pre-raffreddamento di un campione e un altro per spingerlo nei recessi più profondi del mondo quantistico.