Физики охладили TmVO4 с 5 до 2,36 кельвина с помощью эластокалорического эффекта — явления, при котором растяжение или сжатие материала приводит к понижению его температуры. Ученые также зафиксировали нелинейный характер процесса — эластокалорическое охлаждение достигло своего максимума при начальной температуре образца в 3,6 кельвина. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Applied.
Чтобы добиться температур в несколько кельвинов или ниже для макроскопического количества вещества, физики обычно используют один из двух проверенных методов: охлаждение с помощью жидкого гелия или адиабатическое ядерное размагничивание. Первый способ требует дорогостоящего изотопа гелия, который крайне редко находят в природе, а для второго необходимо громоздкое и сложное оборудование, генерирующее сильные магнитные поля, из-за чего ученые постоянно ищут новые пути, чтобы получить сверхнизкие температуры.
Эластокалорический эффект — один из альтернативных кандидатов для криогенных технологий. Суть этого эффекта в том, что при адиабатическом (то есть без обмена теплом с окружающей средой) растяжении или сжатии материал теряет часть внутренней энергии, тем самым охлаждаясь. Однако на сегодняшний день есть две проблемы: во-первых, исследователи еще не разработали методы измерения эластокалорического эффекта при околонулевых температурах, а во-вторых, обнаружили не так много материалов с подходящими свойствами.
Марк Зик (Mark Zic) из Стэнфордского университета совместно с коллегами из США продемонстрировал охлаждение в области сверхнизких температур с помощью ванадата тулия, который проявляет эластокалорические свойства благодаря эффекту Яна — Теллера: при асимметричной деформации дублет основного состояния иона Tm3+ расщепляется, поглощая энергию.
Для этого физики вырастили монокристаллы TmVO4 и поместили их между пластинами тензоэлемента, который при подаче напряжения обеспечил деформацию образцов в двух разных направления, создавая асимметричное искривление кристаллической решетки. Перед каждым новым экспериментом ученые сначала измеряли начальную температуру материала с помощью датчика на основе диоксида рутения и задавали первичную деформацию (в большинстве опытов это было сжатие величиной −2,7 × 10-3), а затем передавали тензоэлементу импульс длительностью порядка секунды, который деформировал образец, растягивая или сжимая его.
В результате физики заметили, что когда деформация увеличивалась, росло и охлаждение образца, однако при достижении значения −1,8 × 10-3 (знак минус означает деформацию сжатия) охлаждение материала заметно уменьшается. При этом эластокалорический эффект практически отсутствовал при начальной температуре ванадата тулия в 8 кельвин и достигал своего максимума при 3,6 кельвина. Максимальное экспериментальное охлаждение, которое зафиксировали ученые, оказалось равным примерно 2,64 кельвина (образец остыл с 5 до 2,36 кельвина) при деформации растяжения около 1,8 × 10-3. Чтобы оценить эффективность разработанного охладителя, исследователи подсчитали его объемную удельную мощность — она составила 0,34 ватта на кубический сантиметр для образца массой 0,19 миллиграмм.
Поскольку эластокалорические свойства возникают в материале за счет эффекта Яна — Теллера, авторы работы также предложили использовать ядерный магнитный резонанс и комбинационное рассеяние для поиска новых кандидатов и проверки их криогенных способностей.
О том, как физики использовали другой экзотический метод — «темные» состояния частиц, и охладили облако молекул до рекордно низкой температуры, мы писали ранее.