Новости химической науки > Молекулярный магнит ставит рекорды охлаждения

Исследователям удалось охладить молекулярный магнит до температуры, меньшей, чем 1 К – такая температура была впервые достигнута для наномагнита. Результаты исследования очень важны, так как впервые экспериментально демонстрируют возможность достижения таких температур, что, как следствие, открывает возможности создания новых систем охлаждения. Результаты исследования также могут пролить свет на некоторые аспекты квантового поведения наномагнитов.

Некоторые молекулярные системы демонстрируют необычные и даже можно сказать экзотические магнитные свойства, обусловленные законами квантовой механики. В отдаленной перспективе такие свойства могут быть использованы для применения в таких областях, как, например, квантовые вычисления. Еще одно интересное свойство таких молекулярных систем – магнетокалорический эффект (МКЭ) [magnetocaloric effect (MCE)], Магнитокалорический эффект заключается в изменении температуры магнита или магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в условиях отсутствия теплового обмена с окружающей средой. Магнитокалорический эффект возникает в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой и в ряде случаев может приводить к существенному понижению температуры системы.

Эрик МакИннес (Eric McInnes) из Университета Манчестера получил молекулярный кластер, содержащий семь атомов гадолиния, шесть из которых расположено в вершинах правильного шестиугольника, а седьмой находится в центре масс этого шестиугольника. МакИннес поясняет, что поскольку каждый ион гадолиния проявляет магнитные свойства, ожидалось, что непрочное взаимодействие этих ионов может обеспечить больший по величине МКЭ.

Рисунок из Nat. Commun., 2014, DOI: 10.1038/ncomms6321

Когда исследователи из группы МакИннеса проводили эксперименты с магнитокалорическими свойствами полученного кластера, температура образца упала до 0.2K, это наблюдение является первым примером понижения температуры молекулярного наномагнита ниже одного Кельвина. Также было отмечено, что при прекращения воздействия магнитного поля наблюдалось не линейное, а ступенчатое понижение температуры, что позволит получить дополнительную информацию о квантовом состоянии системы.

Каждый атом гадолиния находится в вершине правильного треугольника, и его электроны стремятся к спариванию спинов со спинами соседей – атомами, расположенными в двух остальных вершинах этого треугольника. Однако все три атома в вершинах правильного треугольника не могут спарить спины своих электронов одновременно, и это состояние называется «фрустрацией спина».

МакИннес добавляет, в ходе процесса размагничивания спиновая фрустрация приводит к формированию метастабильного спинового состояния в определенной области магнитного поля, что в ходе охлаждения системы приводит к временным повышениям температуры. Такое поведение охлаждающейся системы позволило исследователям из группы МакИннеса такую информации о квантово-магнитных свойствах гадолиниевого кластера, о которой они даже не представляли, приступая к экспериментам.

Комментируя результаты работы, Эуан Бречин (Euan Brechin) из Университета Эдинбурга, отмечает, изучение гадолиниевого кластера наглядно демонстрирует возможность применения ряда полиметаллических молекулярных кластеров в цикле Карно, что, в свою очередь, позволит создать системы охлаждения различного дизайна и различного назначения.

Источник: Nat. Commun., 2014, DOI: 10.1038/ncomms6321

метки статьи: #молекулярные устройства, #неорганическая химия, #физическая химия