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

Om temperaturen te bereiken die kouder zijn dan het oppervlak van enige bekende planeet, moeten wetenschappers de warmte verwijderen die het universum doordringt. Dit is het domein van de sub-kelvin fysica, waar materie zich op vreemde, kwantummechanische wijze gedraagt die onzichtbaar is bij warmere temperaturen. Decennialang is de standaardtool om deze extreme kou te bereiken de verdunningsrefrigerator geweest, een complexe machine die steunt op een mengsel van twee zeldzame isotopen van helium. Helium wordt echter schaarser en duurder, wat een wereldwijde zoektocht naar alternatieve koelmethoden aanjaagt. Een veelbelovend pad is adiabatische demagnetisatiekoeling, een techniek die magnetische velden gebruikt om vaste materialen te koelen zonder bewegende delen of gasvormige vloeistoffen. Het proces werkt door eerst een sterk magnetisch veld toe te passen om de kleine magnetische spins binnen een materiaal uit te lijnen, wat warmte vrijgeeft. Wanneer het veld wordt verwijderd terwijl het materiaal geïsoleerd is, raken de spins weer in wanorde, waarbij ze warmte absorberen uit hun omgeving en de temperatuur omlaag drijven. De uitdaging ligt in het vinden van het perfecte vaste materiaal: het moet genoeg magnetische wanorde kunnen vasthouden om aanzienlijke warmte te absorberen, maar tegelijkertijd zo zwak met zichzelf interageren dat het niet in een geordende staat bevriest voordat de doeltemperatuur wordt bereikt.

Een team onderzoekers heeft nu een nieuwe familie van vaste materialen geïdentificeerd die een aanpasbare oplossing biedt voor dit probleem. Door verschillende zeldzame aardmetalen in dezelfde kristalstructuur te vervangen, creëerden ze twee verschillende koelmiddelen die uitblinken in verschillende stadia van het koelproces. De materialen zijn kaliumgebaseerde fosfaten die ofwel ytterbium of gadolinium bevatten, twee zware metalen uit de reeks van de zeldzame aardmetalen. Toen de wetenschappers deze verbindingen testten, ontdekten ze dat de ytterbiumversie een ijzige 29,8 millikelvin kon bereiken, een temperatuur die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt ligt. In tegen tegenstelling tot de gadoliniumversie, die niet quite zo koud kon worden en stopte op 135,5 millikelvin, kon de gadoliniumversie die koude temperatuur veel langer vasthouden. Dit verschil komt voort uit het feit dat de twee elementen verschillende interne magnetische structuren bezitten. De ytterbiumionen fungeren als kleine, geïsoleerde magneten die nauwelijks met elkaar communiceren, waardoor ze gemakkelijk in wanorde kunnen raken en extreme kou kunnen bereiken. De gadoliniumionen dragen echter een veel grotere magnetische lading en interageren sterker, waardoor ze een enorme reservoir van wanorde creëren die warmte gedurende een langere duur kan absorberen, zelfs als ze niet de diepte van de kou kunnen bereiken.

De onderzoekers synthetiseerden deze kristallen in een laboratorium door hoogzuivere poeders van kaliumcarbonaat, ammoniumfosfaat en de respectieve zeldzame aardoxide te mengen. Ze verhitten de mengsels in een oven om de atomen in een vast rooster te versmelten, en maalden het materiaal vervolgens zorgvuldig en verhitten het opnieuw om te garanderen dat het puur was. Om de interne rangschikking van de atomen te begrijpen, vuurden ze neutronen af op het ytterbiummonster, een techniek die de posities van lichte atomen zoals zuurstof onthult, die röntgenstraling vaak mist. Ze ontdekten dat in beide verbindingen de zeldzame aardmetalionen een verstoord driehoekig patroon vormen binnen het kristal. Deze geometrie staat bekend als "frustratie", een toestand waarin de magnetische spins niet allemaal perfect met hun buren kunnen uitlijnen, waardoor het materiaal ongeordend blijft en klaar is om warmte te absorberen, zelfs bij zeer lage temperaturen.

Toen het team mat hoe deze materialen reageerden op magnetische velden en temperatuurveranderingen, werd het verschil tussen de twee duidelijk. De ytterbiumverbinding gedraagt zich alsof de magnetische spins geïsoleerde paren zijn, een toestand die het mogelijk maakt om ongeordend te blijven tot de laagste geteste temperaturen. De magnetische entropie, of de maatstaf van de wanorde, is beperkt tot een specifieke, kleine hoeveelheid, maar deze beperking is in feite een voordeel voor het bereiken van de laagst mogelijke temperaturen. De gadoliniumverbinding behoudt daarentegen een veel grotere capaciteit voor wanorde omdat de spins complexer en talrijker zijn. Echter, deze spins interageren sterker met elkaar, wat voorkomt dat het materiaal net zo diep afkoelt als de ytterbiumversie.

In een directe test van hun koelvermogen plaatsten de onderzoekers monsters van beide materialen in een magnetisch veld en verminderden ze het veld vervolgens langzaam tot nul terwijl ze de monsters isoleerden van warmte. Het ytterbiummonster daalde van een initiële temperatuur van 2 Kelvin naar een recordlage 29,8 millikelvin, en bleef ongeveer een uur lang onder de 40 millikelvin. Het gadoliniummonster bereikte slechts 135,5 millikelvin, maar behield een temperatuur onder de 150 millikelvin voor meer dan anderhalf uur. Dit demonstreert dat de twee materialen complementaire rollen vervullen: de gadoliniumversie fungeert als een buffer met een hoge capaciteit die een matig niveau van kou gedurende een lange tijd kan vasthouden, terwijl de ytterbiumversie fungeert als een diepvriesmiddel dat in staat is om de meest extreme temperaturen te bereiken.

De studie bevestigt dat deze kalium-zeldzame-aardfosfaten chemisch stabiel zijn en geen water bevatten, in tegen tegenstelling tot oudere koelzouten die de neiging hebben uit te drogen en hun effectiviteit te verliezen. Deze stabiliteit, gecombineerd met de mogelijkheid om de koeleigenschappen eenvoudig aan te passen door het zeldzame aardelement te veranderen, suggereert een nieuw pad voor het bouwen van compacte, heliumvrije koelsystemen. Het werk beweert niet alle koeluitdagingen te hebben opgelost, maar biedt een duidelijk blauwdruk voor hoe men vaste materialen kan ontwerpen die de balans kunnen vinden tussen de behoefte aan extreme kou en de behoefte aan langdurige thermische stabiliteit. Door te begrijpen hoe de specifieke magnetische aard van verschillende zeldzame aardelementen de koelingsprocedure beïnvloedt, kunnen wetenschappers nu meerfasige koelsystemen ontwerpen die één materiaal gebruiken om een monster voor te koelen en een ander om het in de diepste bereiken van de kwantumwereld te duwen.