Fizycy schłodzili TmVO4 z 5 do 2,36 kelwina, wykorzystując efekt elastokaloryczny – zjawisko, w którym rozciąganie lub ściskanie materiału powoduje spadek jego temperatury. Naukowcy zaobserwowali również nieliniową naturę tego procesu: chłodzenie elastokaloryczne osiągnęło maksimum przy początkowej temperaturze próbki wynoszącej 3,6 kelwina. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Applied”.
Aby osiągnąć temperatury rzędu kilku kelwinów lub niższe dla makroskopowych ilości materii, fizycy zazwyczaj stosują jedną z dwóch sprawdzonych metod: chłodzenie ciekłym helem lub adiabatyczne rozmagnesowanie jądrowe. Pierwsza metoda wymaga drogiego izotopu helu, który występuje niezwykle rzadko w naturze, podczas gdy druga wymaga dużej i skomplikowanej aparatury generującej silne pola magnetyczne, co prowadzi naukowców do ciągłych poszukiwań nowych sposobów na osiągnięcie ultraniskich temperatur.
Efekt elastokaloryczny jest jednym z alternatywnych rozwiązań dla technologii kriogenicznych. Efekt ten zasadniczo polega na tym, że materiał rozciągany lub ściskany adiabatycznie (tj. bez wymiany ciepła z otoczeniem) traci część swojej energii wewnętrznej, a tym samym schładza się. Istnieją jednak dwa problemy: po pierwsze, naukowcy nie opracowali jeszcze metod pomiaru efektu elastokalorycznego w temperaturach poniżej zera, a po drugie, odkryto niewiele materiałów o odpowiednich właściwościach.
Mark Zic ze Stanford University wraz z kolegami ze Stanów Zjednoczonych zademonstrował chłodzenie w zakresie ultraniskich temperatur przy użyciu wanadanu tulu, który wykazuje właściwości sprężysto-kaloryczne ze względu na efekt Jahna-Tellera: pod wpływem asymetrycznej deformacji dublet stanu podstawowego jonu Tm3+ rozpada się, pochłaniając energię.
Aby to zrobić, fizycy wyhodowali monokryształy TmVO4 i umieścili je między płytkami tensometru. Po przyłożeniu napięcia tensometr odkształcał próbki w dwóch różnych kierunkach, tworząc asymetryczną krzywiznę sieci krystalicznej. Przed każdym nowym eksperymentem naukowcy najpierw mierzyli początkową temperaturę materiału za pomocą czujnika z dwutlenkiem rutenu i ustawiali początkowe odkształcenie (w większości eksperymentów było to ściskanie -2,7 × 10-3). Następnie przykładali do tensometru impuls trwający około jednej sekundy, który odkształcał próbkę poprzez jej rozciąganie lub ściskanie.
W rezultacie fizycy zaobserwowali, że wraz ze wzrostem odkształcenia, następowało również chłodzenie próbki. Jednak po osiągnięciu wartości -1,8 × 10-3 (znak minus oznacza odkształcenie ściskające), chłodzenie materiału znacząco zmalało. Co więcej, efekt sprężysto-kaloryczny był praktycznie nieobecny przy początkowej temperaturze 8 kelwinów dla wanadanu tulu i osiągnął maksimum przy 3,6 kelwina. Maksymalne chłodzenie eksperymentalne zarejestrowane przez naukowców wyniosło około 2,64 kelwina (próbka ostygła z 5 do 2,36 kelwina) przy odkształceniu rozciągającym wynoszącym około 1,8 × 10-3. Aby ocenić wydajność opracowanej chłodnicy, naukowcy obliczyli jej objętościową moc właściwą, która wyniosła 0,34 wata na centymetr sześcienny dla próbki o wadze 0,19 miligrama.
Ponieważ właściwości sprężysto-kaloryczne materiału wynikają z efektu Jahna-Tellera, autorzy badania zaproponowali również wykorzystanie jądrowego rezonansu magnetycznego i rozpraszania Ramana do poszukiwania nowych kandydatów i testowania ich właściwości kriogenicznych.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak fizycy wykorzystali inną egzotyczną metodę – „ciemne” stany cząstek – do schłodzenia chmury cząsteczek do rekordowo niskiej temperatury.
