Raffreddamento magnetico - utilizzando un minerale frustrato del deserto
Un team di ricerca identifica l'atacamite come materiale magnetocalorico
I cristalli naturali affascinano con i loro colori vivaci, il loro aspetto quasi impeccabile e le loro molteplici forme simmetriche. Ma i ricercatori si interessano a loro per ragioni ben diverse: tra gli innumerevoli minerali già conosciuti, scoprono sempre alcuni materiali con insolite proprietà magnetiche. Uno di questi è l'atacamite, che presenta un comportamento magnetocalorico a basse temperature, ovvero la temperatura del materiale cambia in modo significativo quando viene sottoposto a un campo magnetico. Un team guidato dalla TU Braunschweig e dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha studiato questa rara proprietà. A lungo termine, i risultati potrebbero aiutare a sviluppare nuovi materiali per il raffreddamento magnetico ad alta efficienza energetica.
Il minerale verde smeraldo atacamite, che prende il nome dal luogo in cui è stato trovato per la prima volta, il deserto di Atacama in Cile, ottiene la sua caratteristica colorazione dagli ioni di rame che contiene. Questi ioni determinano anche le proprietà magnetiche del materiale: ciascuno di essi possiede un elettrone non appaiato il cui spin conferisce allo ione un momento magnetico, paragonabile a un piccolo ago di una bussola. "La caratteristica distintiva dell'atacamite è la disposizione degli ioni di rame", spiega la dott.ssa Leonie Heinze del Jülich Centre for Neutron Science (JCNS). "Essi formano lunghe catene di piccoli triangoli collegati tra loro, note come catene a dente di sega". Questa struttura geometrica ha delle conseguenze: sebbene gli spin degli ioni di rame vogliano sempre allinearsi in modo antiparallelo l'uno all'altro, la disposizione triangolare rende geometricamente impossibile raggiungere questo obiettivo. "Ci riferiamo a questo fenomeno come frustrazione magnetica", continua Heinze. Come risultato di questa frustrazione, gli spin dell'atacamite si dispongono solo a temperature molto basse - sotto i 9 Kelvin (-264°C) - in una struttura statica alternata.
Quando i ricercatori hanno esaminato l'atacamite sotto i campi magnetici estremamente elevati del laboratorio HLD (High Magnetic Field Laboratory) dell'HZDR, è emerso qualcosa di sorprendente: il materiale ha mostrato un notevole raffreddamento nei campi magnetici pulsati - e non solo un leggero raffreddamento, ma un calo a quasi la metà della temperatura originale. Questo effetto di raffreddamento insolitamente forte ha affascinato particolarmente i ricercatori, poiché il comportamento dei materiali magneticamente frustrati in questo contesto è stato poco studiato. Tuttavia, i materiali magnetocalorici sono considerati una promettente alternativa alle tecnologie di raffreddamento convenzionali, ad esempio per il raffreddamento ad alta efficienza energetica o per la liquefazione dei gas. Questo perché, invece di comprimere ed espandere un refrigerante - un processo che avviene in ogni frigorifero - possono essere utilizzati per modificare la temperatura applicando un campo magnetico con un approccio ecologico e potenzialmente a bassa perdita.
Qual è l'origine di questo forte effetto magnetocalorico?
Ulteriori studi condotti in diversi laboratori dell'European Magnetic Field Laboratory (EMFL) hanno fornito ulteriori approfondimenti. "Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica, siamo stati in grado di dimostrare chiaramente che l'ordine magnetico dell'atacamite viene distrutto quando viene applicato un campo magnetico", spiega il dottor Tommy Kotte, scienziato dell'HLD. "Questo è insolito, poiché i campi magnetici in molti materiali magneticamente frustrati di solito contrastano la frustrazione e addirittura incoraggiano gli stati magnetici ordinati".
Il team ha trovato la spiegazione del comportamento inaspettato del minerale in complesse simulazioni numeriche della sua struttura magnetica: mentre il campo magnetico allinea i momenti magnetici degli ioni di rame sulle punte delle catene a dente di sega lungo il campo e quindi riduce la frustrazione come previsto, sono proprio questi momenti magnetici a mediare un debole accoppiamento con le catene vicine. Quando questo viene rimosso, non può più esistere un ordine magnetico a lungo raggio. Ciò ha fornito al team anche una spiegazione per l'effetto magnetocalorico particolarmente forte: esso si verifica sempre quando un campo magnetico influenza il disordine - o più precisamente l'entropia magnetica - di un sistema. Per compensare questa rapida variazione di entropia, il materiale deve regolare di conseguenza la sua temperatura. È proprio questo il meccanismo che i ricercatori sono riusciti a dimostrare nell'atacamite.
"Naturalmente non ci aspettiamo che l'atacamite venga estratta in futuro per essere utilizzata in nuovi sistemi di raffreddamento", afferma il dottor Tommy Kotte, "ma il meccanismo fisico che abbiamo studiato è fondamentalmente nuovo e l'effetto magnetocalorico che abbiamo osservato è sorprendentemente forte". Il team spera che il loro lavoro possa ispirare ulteriori ricerche, in particolare una ricerca mirata di materiali magnetocalorici innovativi all'interno della vasta classe di sistemi magneticamente frustrati.
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Pubblicazione originale
L. Heinze, T. Kotte, R. Rausch, A. Demuer, S. Luther, R. Feyerherm, E. L. Q. N. Ammerlaan, U. Zeitler, D. I. Gorbunov, M. Uhlarz, K. C. Rule, A. U. B. Wolter, H. Kühne, J. Wosnitza, C. Karrasch, S. Süllow, Atacamite Cu₂Cl(OH)₃ in High Magnetic Fields: Quantum Criticality and Dimensional Reduction of a Sawtooth-Chain Compound, in Physical Review Letters, 2025
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