Fizycy schłodzili TmVO4 z 5 do 2,36 kelwina, wykorzystując efekt elastokaloryczny — zjawisko, w którym rozciąganie lub ściskanie materiału prowadzi do spadku jego temperatury. Naukowcy zanotowali również nieliniową naturę procesu — chłodzenie elastokaloryczne osiągnęło maksimum przy początkowej temperaturze próbki 3,6 kelwina. Wyniki badań opublikowano w Physical Review Applied.
Aby osiągnąć temperatury rzędu kilku kelwinów lub niższe dla makroskopowej ilości materii, fizycy zazwyczaj stosują jedną z dwóch sprawdzonych metod: chłodzenie ciekłym helem lub adiabatyczną demagnetyzację jądrową. Pierwsza metoda wymaga drogiego izotopu helu, który jest niezwykle rzadki w naturze, a druga wymaga dużego i skomplikowanego sprzętu, który generuje silne pola magnetyczne, dlatego naukowcy nieustannie poszukują nowych sposobów na uzyskanie ultraniskich temperatur.
Efekt elastokaloryczny jest jednym z alternatywnych kandydatów dla technologii kriogenicznych. Istota tego efektu polega na tym, że podczas adiabatycznego (czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem) rozciągania lub ściskania materiał traci część swojej energii wewnętrznej, tym samym się ochładzając. Jednak dzisiaj istnieją dwa problemy: po pierwsze, naukowcy nie opracowali jeszcze metod pomiaru efektu elastokalorycznego w temperaturach bliskich zera, a po drugie, nie znaleźli tak wielu materiałów o odpowiednich właściwościach.
Mark Zic ze Stanford University wraz ze współpracownikami ze Stanów Zjednoczonych zademonstrował chłodzenie w zakresie bardzo niskich temperatur za pomocą wanadanu tulu, który wykazuje właściwości elastokaloryczne ze względu na efekt Jahna-Tellera: podczas deformacji asymetrycznej dublet stanu podstawowego jonu Tm3+ rozszczepia się, pochłaniając energię.
Aby to zrobić, fizycy wyhodowali pojedyncze kryształy TmVO4 i umieścili je między płytkami ogniwa tensometrycznego, które po przyłożeniu napięcia zapewniało odkształcenie próbek w dwóch różnych kierunkach, tworząc asymetryczną krzywiznę sieci krystalicznej. Przed każdym nowym eksperymentem naukowcy najpierw mierzyli początkową temperaturę materiału za pomocą czujnika opartego na dwutlenku rutenu i ustawiali początkowe odkształcenie (w większości eksperymentów było to ściskanie −2,7 × 10-3), a następnie przesyłali impuls o długości sekundy do ogniwa tensometrycznego, które odkształcało próbkę poprzez jej rozciąganie lub ściskanie.
W rezultacie fizycy zauważyli, że wraz ze wzrostem odkształcenia wzrastało również chłodzenie próbki, jednak po osiągnięciu wartości −1,8 × 10-3 (znak minus oznacza odkształcenie ściskające) chłodzenie materiału wyraźnie zmalało. Jednocześnie efekt sprężysto-kaloryczny był praktycznie nieobecny przy początkowej temperaturze wanadanu tulu 8 kelwinów i osiągnął maksimum przy 3,6 kelwina. Maksymalne schłodzenie eksperymentalne zarejestrowane przez naukowców wyniosło około 2,64 kelwina (próbka schłodziła się od 5 do 2,36 kelwina) przy odkształceniu rozciągającym około 1,8 × 10-3. Aby ocenić wydajność opracowanej chłodnicy, naukowcy obliczyli jej objętościową moc właściwą — wynosiła ona 0,34 wata na centymetr sześcienny dla próbki o wadze 0,19 miligrama.
Ponieważ właściwości sprężysto-kaloryczne materiału pojawiają się na skutek efektu Jahna-Tellera, autorzy artykułu zaproponowali również wykorzystanie jądrowego rezonansu magnetycznego i rozpraszania Ramana do poszukiwania nowych kandydatów i sprawdzenia ich właściwości kriogenicznych.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy wykorzystali inną egzotyczną metodę – „ciemne” stany cząstek – i schłodzili chmurę cząsteczek do rekordowo niskiej temperatury.