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

Para alcançar as temperaturas mais frias conhecidas pela ciência, os pesquisadores devem ser mais espertos do que a própria natureza do calor. No domínio da computação quântica e de sensores ultrassensíveis, o objetivo é frequentemente resfriar materiais a uma fração de um grau acima do zero absoluto, um estado onde os tremores caóticos dos átomos desaceleram até quase uma imobilidade total. Uma das formas mais eficazes de alcançar isso é através de um processo chamado desmagnetização adiabática. Imagine uma esponja absorvendo água; neste caso, um material magnético absorve energia térmica quando um campo magnético é aplicado. Se você então remover esse campo enquanto o material está isolado de seus arredores, o material deverá usar seu próprio calor interno para reorganizar seus átomos magnéticos, fazendo com que sua temperatura despencue. Durante décadas, os cientistas confiaram em sais específicos para realizar esse truque, mas esses materiais têm limitações. Eles muitas vezes não conseguem ficar frios o suficiente para os experimentos mais avançados, ou carecem da densidade necessária para resfriar grandes sistemas de forma eficiente. A busca tem sido por uma nova classe de materiais que possam expandir esses limites, oferecendo tanto a capacidade de alcançar temperaturas mais baixas quanto a capacidade de conter mais poder de resfriamento em um espaço menor.

Uma equipe de pesquisadores na Alemanha identificou uma nova e promissora família de materiais que pode resolver este problema. Eles focaram em dois compostos específicos, antimonato de bário gadolínio e antimonato de estrôncio gadolínio, que são construídos a partir de uma estrutura cristalina conhecida como perovskita dupla. Estes materiais são repletos de íons de gadolínio, que são átomos magnéticos conhecidos por sua capacidade de armazenar uma grande quantidade de entropia, ou desordem, uma propriedade essencial para um resfriamento eficaz. Os pesquisadores sintetizaram esses compostos e os submeteram a testes rigorosos para ver como se comportavam sob frio extremo e campos magnéticos. O que descobriram foi que o arranjo único de átomos nesses cristais cria um estado de "frustração". Neste contexto, frustração não significa que os átomos estão irritados; em vez disso, descreve uma situação geométrica onde os átomos magnéticos não podem todos se alinhar em um padrão simples e ordenado porque a forma da rede cristalina os força a posições conflitantes. Esse conflito impede que os átomos se fixem em uma ordem magnética rígida até que a temperatura caia para níveis incrivelmente baixos, mantendo-os em um estado desordenado e de alta energia que é perfeito para a refrigeração.

A equipe mediu o desempenho desses materiais começando-os a uma temperatura de dois Kelvin e um campo magnético de cinco Tesla, diminuindo lentamente o campo para ver o quão frio eles poderiam chegar. Os resultados foram impressionantes. O composto de bário resfriou até 67 milikelvin, enquanto a versão de estrôncio atingiu 68 milikelvin, mesmo quando um pequeno campo magnético ainda estava presente. Quando o campo foi totalmente removido, o composto de bário atingiu 83 milikelvin e o composto de estrôncio atingiu 78 milikelvin. Estas são as temperaturas mais baixas já relatadas para magnetos baseados em gadolínio sob estas condições específicas. Para colocar isto em perspectiva, estas temperaturas são aproximadamente um milésimo da temperatura de um dia típico de inverno, mas foram alcançadas usando um material que é muito mais compacto e poderoso do que os sais tradicionais usados no passado. Os pesquisadores também observaram que o composto de bário poderia manter temperaturas abaixo de 100 milikelvin mesmo quando um campo magnético de 0,5 Tesla era aplicado, uma característica que o torna particularmente útil para experimentos que requerem um ambiente magnético, como o estudo de supercondutores.

O segredo deste sucesso reside no delicado equilíbrio de forças dentro do cristal. Os átomos de gadolínio estão arranjados em uma rede de tetraedros, uma forma que naturalmente frustra seu alinhamento magnético. Os pesquisadores descobriram que as interações magnéticas entre esses átomos são fracas, mas estão competindo com outra força chamada interação dipolar, que surge da natureza magnética dos próprios átomos. Esta competição, combinada com a frustração geométrica, suprime a temperatura na qual o material normalmente congelaria em um estado magnético sólido. Para o composto de bário, esta temperatura de ordenamento é em torno de 100 milikelvin, e para o composto de estrôncio, é em torno de 190 milikelvin. Como o material permanece desordenado até estas temperaturas incrivelmente baixas, ele retém uma enorme quantidade de entropia que pode ser colhida para o resfriamento. O estudo também revelou que o composto de bário passa por duas transições magnéticas distintas, um comportamento raro que sugere uma interação complexa de forças que os pesquisadores ainda estão tentando compreender totalmente.

Estas descobertas representam um passo significativo no desenvolvimento da refrigeração de ultra-baixa temperatura. Ao contrário de muitos outros materiais de alto desempenho que dependem de produtos químicos tóxicos ou métodos de síntese complexos, estas perovskitas duplas são não tóxicas e podem ser facilmente processadas em pastilhas. Elas oferecem uma combinação de alto poder de resfriamento e a capacidade de alcançar temperaturas recordes extremamente baixas que não foram vistas antes em sistemas baseados em gadolínio. Os pesquisadores demonstraram que, ao projetar cuidadosamente a estrutura do cristal para maximizar a frustração e minimizar a ordenação magnética, é possível criar materiais que superam o estado da arte atual. Este trabalho abre as portas para sistemas de resfriamento mais eficientes e poderosos, que podem apoiar a próxima geração de tecnologias quânticas e permitir que cientistas explorem as leis fundamentais da física em regimes que eram anteriormente inacessíveis. A capacidade de alcançar estas temperaturas de forma confiável e segura sugere que estes materiais podem se tornar uma ferramenta padrão em laboratórios dedicados a expandir os limites do frio.