Международная группа ученых стала первым исследователем, которому удалось достичь температуры ниже минус 272,15 градусов по Цельсию - чуть выше абсолютного нуля - с помощью магнитных молекул. Физики и химики представляют свое новое исследование сегодня (22 октября 2014 г.) в научном журнале Nature Communications. Он был разработан шестью учеными из Университета Билефельда, Университета Манчестера (Великобритания) и Университета Сарагосы (Испания).
Ученые обычно выражают температуру по шкале Кельвина. Минус 272,15 градуса по Цельсию - это ровно один кельвин. Вот почему исследователи называют свою разработку «субкельвиновым охлаждением». Низкие температуры обычно достигаются с помощью эффекта, который каждый может наблюдать с помощью аэрозольного баллончика. Если вы нажмете кнопку на баллончике достаточно долго, вы заметите, что то, что распыляется, становится холоднее. Обычный холодильник также использует этот эффект. В обоих случаях газообразный хладагент охлаждается по мере расширения из-за перепада давления с высокого на низкое.
Но как мы можем достичь действительно низких температур в низком диапазоне Кельвина? Сегодня это делается с использованием гелия в качестве хладагента. Однако гелия становится все меньше. «Очень редкий изотоп гелия-3, с помощью которого также можно разогреться до нескольких десятых долей Кельвина, сейчас практически недоступен», - говорит профессор доктор Юрген Шнак, соавтор исследования и физик из Билефельдского университета. Магнитные вещества также могут использоваться в качестве хладагентов. К ним, в частности, относятся парамагнитные соли. Их охлаждение никак не связано с давлением. Они остывают, когда внешнее магнитное поле, создаваемое, например, электромагнитом, уменьшается. Когда электрический ток в катушке уменьшается, магнитное поле также уменьшается, и парамагнитные соли остывают.
В своей статье ученые из Сарагосы, Манчестера и Билефельда сообщают об успешном охлаждении до температуры ниже Кельвина с помощью альтернативной среды - магнитных молекул. Это молекулы, содержащие магнитные ионы, такие как гадолиний. «Сегодня их можно производить в больших количествах, поэтому они легко доступны по сравнению с гелием», - говорит профессор Эрик Дж. Л. Макиннес, доктор философии, руководитель исследовательской группы Манчестерского университета, где были синтезированы изучаемые молекулы.
Магнитная молекула, с которой он и его коллеги экспериментировали, сокращенно называется «Б-г7». Он имеет геометрическую структуру снежинки. Как показывает компьютерное моделирование исследовательской группы профессора Шнака, это начинается с охлаждения в уменьшающемся магнитном поле; затем он снова нагревается, прежде чем, наконец, снова остынет, когда магнитное поле исчезнет.«Мы были очень взволнованы, когда теоретические расчеты смогли подробно объяснить это сложное поведение», - говорит профессор теоретической физики. «По сравнению с парамагнитными солями, в которых температура постоянно падает по мере ослабления магнитного поля, такие молекулы, как Gd7, ведут себя более сложным образом. Их можно использовать для достижения очень низких температур без полного отключения магнитного поля», - сообщает доктор Марко Евангелисти, чья команда из Университета Сарагосы провела низкотемпературные эксперименты..
' Вы должны знать, что такие симуляции работают с гигантскими матрицами, то есть со специальными числовыми полями. Мы рады, что для этой цели у нас есть мощный суперкомпьютер в Билефельде», - говорит Шнак. Исследователь сообщает, что компьютерная система имеет неоценимое значение не только для проекта по магнитному охлаждению, но и для исследовательского подразделения DFG 945 «Наномагнетики», финансируемого Немецким исследовательским фондом (DFG).
Юрген Шнак занимается изучением магнитных молекул уже 15 лет. Они часто, но не всегда, имеют органическую основу, состоящую из углерода, водорода и кислорода, в которой связаны вместе специальные ионы металлов, такие как ионы железа. Каждая из этих железных частиц действует как крошечная магнитная стрелка, а соседние частицы работают вместе, как более крупный магнит. Цель исследования магнитных молекул состоит в том, чтобы спроектировать их таким образом, чтобы они точно подходили для различных применений: в качестве прозрачных магнитов, в качестве нанопамяти данных или даже в качестве охлаждающих молекул.