Jeden kryształ, a tyle niespodzianek. Związane z nim zjawisko narusza zasady magnetyzmu

Jego nazwa jest nieprzypadkowa i stanowi cenną wskazówkę w kontekście miejsca pochodzenia tego minerału, czyli pustyni Atakama. Pod względem wizualnym również robi spore wrażenie, a im więcej naukowcy dowiadują się na jego temat, tym ciekawszy obrót przybiera sytuacja. 

Seria przeprowadzonych niedawno eksperymentów skupiała się na właściwościach magnetokalorycznych atakamitu. Ten niezwykły fenomen magnetyczny na pierwszy rzut oka wydaje się stać w sprzeczności z powszechnie uznawanymi zasadami. Co dokładnie się dzieje? Możemy się tego dowiedzieć z artykułu zamieszczonego w Physical Review Letters.

Czytaj też: Magnetyczny cykl kieruje naszą planetą. Naukowcy zrozumieli, jak działa

Autorzy tamtejszej publikacji mówią o reakcji atakamitu na wystawienie na działanie pola magnetycznego. W konsekwencji dochodzi do zmiany temperatury kryształu, co stanowi cenną obserwację z punktu widzenia rozwoju technologii chłodzenia. Za potencjalnie przełomowymi ustaleniami stoją przedstawiciele TU Braunschweig i Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

O ile sam fakt występowania tego temperaturowego fenomenu był znany już wcześniej, tak kwestia jego genezy pozostawała większą tajemnicą. Efekt wykazywany przez atakamit najprawdopodobniej bierze się z jonów miedzi, które zawierają niesparowane elektrony. Każdy z nich można porównać do miniaturowego kompasu. Kolektywnie spiny oddziałują z polami magnetycznymi, dzięki czemu cały kryształ można wykorzystać w bardziej praktyczny sposób.

Kryształy atakamitu reagują zmianami temperatury w odpowiedzi na obecność pól magnetycznych, co toruje drogę do praktycznych zastosowań

I to właśnie wspomniany układ jonów miedzi, przejawiający się występowaniem długich łańcuchów połączonych ze sobą trójkątów daje magnetyczne owoce. W ostatecznym rozrachunku spiny występujące w atakamicie układają się wyłącznie wtedy, gdy temperatury spadną do bardzo niskich wartości. Jak bardzo? Cóż, mówimy o temperaturach poniżej -264 stopni Celsjusza.

Aby to potwierdzić, niemieccy fizycy postanowili poddać atakamit działaniu silnych pól magnetycznych. Próbki zaczęły się ochładzać, a skala tego zjawiska była zaskakująco duża, ponieważ redukcja sięgnęła połowy pierwotnej temperatury kryształu. Ze względu na ograniczoną wiedzę w tym zakresie, naukowcy odnotowali niespodziankę, którą początkowo trudno było im wyjaśnić.

Czytaj też: Chiny stworzyły materiał, którego nie widział świat. Teraz twierdzą, że 3600 stopni Celsjusza to nic

Bardzo istotny pozostaje fakt, iż mówimy o potencjale praktycznych zastosowań. Przede wszystkim w grę wchodzi projektowanie układów umożliwiających energooszczędne chłodzenie czy skraplanie gazów.  Wystarczy wtedy poddać materiał działaniu pól magnetycznych, aby wywołać drastyczną zmianę temperatury. W toku dalszych badań, korzystając ze spektroskopii rezonansu magnetycznego, członkowie zespołu badawczego wykazali, iż obecność pola magnetycznego niszczy porządek magnetyczny atakamitu. 

Na podstawie symulacji autorzy uznali, iż możliwe jest wyjaśnienie tego fenomenu. Co dokładnie się dzieje? Momenty magnetyczne jonów miedzi zostają wyrównane w odpowiedzi na pola magnetyczne, jednocześnie pośrednicząc w słabym sprzężeniu z sąsiednimi łańcuchami. Dotychczasowy porządek magnetyczny zostaje zaburzony, a materiał próbuje ustabilizować sytuację dostosowując swoją temperaturę. Nic więc dziwnego, że naukowcy upatrują w tym szans na praktyczne zastosowanie.