Arrefecimento magnético - utilizando um mineral do deserto frustrado
Equipa de investigação identifica a atacamite como um material magnetocalórico
Os cristais naturais fascinam pelas suas cores vibrantes, pelo seu aspeto quase sem falhas e pelas suas múltiplas formas simétricas. Mas os investigadores interessam-se por eles por razões bem diferentes: entre os inúmeros minerais já conhecidos, descobrem sempre alguns materiais com propriedades magnéticas invulgares. Um deles é a atacamite, que apresenta um comportamento magnetocalórico a baixas temperaturas - ou seja, a temperatura do material muda significativamente quando este é sujeito a um campo magnético. Uma equipa liderada pela TU Braunschweig e pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) investigou agora esta propriedade rara. A longo prazo, os resultados poderão ajudar a desenvolver novos materiais para um arrefecimento magnético eficiente em termos energéticos.
O mineral verde-esmeralda atacamite, cujo nome deriva do local onde foi encontrado pela primeira vez, o deserto de Atacama, no Chile, obtém a sua coloração caraterística dos iões de cobre que contém. Estes iões também determinam as propriedades magnéticas do material: cada um tem um eletrão desemparelhado cujo spin dá ao ião um momento magnético - comparável a uma pequena agulha de uma bússola. "A caraterística distintiva da atacamite é a disposição dos iões de cobre", explica a Dra. Leonie Heinze do Centro de Ciência de Neutrões de Jülich (JCNS). "Formam longas cadeias de pequenos triângulos ligados, conhecidas como cadeias em dente de serra". Esta estrutura geométrica tem consequências: embora os spins dos iões de cobre queiram sempre alinhar-se de forma antiparalela uns aos outros, a disposição triangular torna isto geometricamente impossível de conseguir completamente. "Chamamos a isto frustração magnética", continua Heinze. Como resultado desta frustração, os spins da atacamite só se organizam a temperaturas muito baixas - abaixo de 9 Kelvin (-264°C) - numa estrutura alternada estática.
Quando os investigadores examinaram a atacamite sob os campos magnéticos extremamente elevados do Laboratório de Alto Campo Magnético (HLD) do HZDR, surgiu algo surpreendente: o material exibiu um arrefecimento notável nos campos magnéticos pulsados - e não apenas um ligeiro arrefecimento, mas uma queda para quase metade da temperatura original. Este efeito de arrefecimento invulgarmente forte fascinou particularmente os investigadores, uma vez que o comportamento de materiais magneticamente frustrados neste contexto tem sido pouco estudado. No entanto, os materiais magnetocalóricos são considerados uma alternativa promissora às tecnologias de arrefecimento convencionais, por exemplo, para um arrefecimento eficiente em termos energéticos ou para a liquefação de gases. Isto porque, em vez de comprimir e expandir um líquido de refrigeração - um processo que ocorre em todos os frigoríficos - podem ser utilizados para alterar a temperatura através da aplicação de um campo magnético, numa abordagem amiga do ambiente e potencialmente com poucas perdas.
Qual é a origem deste forte efeito magnetocalórico?
Estudos adicionais efectuados em vários laboratórios do Laboratório Europeu do Campo Magnético (EMFL) forneceram informações mais aprofundadas. "Utilizando a espetroscopia de ressonância magnética, conseguimos demonstrar claramente que a ordem magnética da atacamite é destruída quando é aplicado um campo magnético", explica o Dr. Tommy Kotte, cientista do HLD. "Isto é invulgar, uma vez que os campos magnéticos em muitos materiais magneticamente frustrados geralmente contrariam a frustração e até encorajam estados magnéticos ordenados".
A equipa encontrou a explicação para o comportamento inesperado do mineral em simulações numéricas complexas da sua estrutura magnética: embora o campo magnético alinhe os momentos magnéticos dos iões de cobre nas pontas das cadeias em dente de serra ao longo do campo e, assim, reduza a frustração, como esperado, são precisamente estes momentos magnéticos que medeiam um fraco acoplamento com as cadeias vizinhas. Quando este é removido, deixa de poder existir uma ordem magnética de longo alcance. Isto também forneceu à equipa uma explicação para o efeito magnetocalórico particularmente forte: este ocorre sempre que um campo magnético influencia a desordem - ou mais precisamente, a entropia magnética - de um sistema. Para compensar esta rápida alteração da entropia, o material tem de ajustar a sua temperatura em conformidade. Este é o mecanismo que os investigadores conseguiram agora demonstrar na atacamite.
"É claro que não esperamos que a atacamite venha a ser amplamente explorada no futuro para utilização em novos sistemas de refrigeração", afirma o Dr. Tommy Kotte, "mas o mecanismo físico que investigámos é fundamentalmente novo e o efeito magnetocalórico que observámos é surpreendentemente forte". A equipa espera que o seu trabalho inspire mais investigação, especialmente uma procura orientada de materiais magnetocalóricos inovadores dentro da extensa classe de sistemas magneticamente frustrados.
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Publicação original
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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