Fizycy schłodzili TmVO4 z 5 do 2,36 kelwina za pomocą efektu elastokalorycznego – zjawiska, w którym rozciąganie lub ściskanie materiału prowadzi do spadku jego temperatury. Naukowcy zaobserwowali również nieliniowy charakter procesu – chłodzenie elastokaloryczne osiągnęło maksimum przy początkowej temperaturze próbki wynoszącej 3,6 kelwina. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „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 adiabatyczne rozmagnesowanie jądrowe. Pierwsza metoda wymaga drogiego izotopu helu, który występuje niezwykle rzadko w naturze, a druga wymaga dużego i skomplikowanego sprzętu generującego silne pola magnetyczne. Dlatego naukowcy nieustannie poszukują nowych sposobów na uzyskanie ultraniskich temperatur.
Efekt elastokaloryczny jest jednym z alternatywnych rozwiązań dla technologii kriogenicznych. Istota tego efektu polega na tym, że podczas adiabatycznego (tj. bez wymiany ciepła z otoczeniem) rozciągania lub ściskania materiał traci część swojej energii wewnętrznej, a tym samym schładza się. Obecnie jednak istnieją dwa problemy: po pierwsze, naukowcy nie opracowali jeszcze metod pomiaru efektu elastokalorycznego w temperaturach bliskich zeru, a po drugie, nie znaleźli zbyt wielu materiałów o odpowiednich właściwościach.
Mark Zic ze Stanford University wraz z kolegami ze Stanów Zjednoczonych zademonstrował chłodzenie w zakresie ultraniskich temperatur za pomocą wanadanu tulu, który wykazuje właściwości sprężysto-kaloryczne ze względu na efekt Jahna-Tellera: podczas deformacji asymetrycznej dublet stanu podstawowego jonu Tm3+ rozszczepia się, pochłaniając energię.
W tym celu fizycy wyhodowali monokryształy TmVO4 i umieścili je między płytkami celki tensometrycznej, która po przyłożeniu napięcia powodowała odkształcenie próbek w dwóch różnych kierunkach, tworząc asymetryczną krzywiznę sieci krystalicznej. Przed każdym nowym eksperymentem naukowcy najpierw mierzyli temperaturę początkową materiału za pomocą czujnika opartego na dwutlenku rutenu i ustawiali początkowe odkształcenie (w większości eksperymentów było to ściśnięcie −2,7 × 10-3), a następnie przesyłali impuls o długości sekundy do celki tensometrycznej, która odkształcała próbkę poprzez jej rozciąganie lub ściskanie.
W rezultacie fizycy zauważyli, że wraz ze wzrostem odkształcenia, chłodzenie próbki również wzrastało, jednak gdy osiągnięto wartość -1,8 × 10-3 (znak minus oznacza odkształcenie ściskające), chłodzenie materiału wyraźnie malało. Jednocześnie efekt sprężysto-kaloryczny był praktycznie nieobecny przy początkowej temperaturze wanadanu tulu 8 kelwinów i osiągnął maksimum przy 3,6 kelwina. Maksymalne chłodzenie 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 — wyniosła ona 0,34 wata na centymetr sześcienny dla próbki o wadze 0,19 miligrama.
Ponieważ w wyniku efektu Jahna-Tellera materiał nabiera właściwości sprężysto-kalorycznych, autorzy artykułu zaproponowali również wykorzystanie jądrowego rezonansu magnetycznego i rozpraszania Ramana do poszukiwania nowych kandydatów i sprawdzenia ich właściwości kriogenicznych.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak fizycy wykorzystali inną egzotyczną metodę – „ciemne” stany cząstek – i schłodzili chmurę cząsteczek do rekordowo niskiej temperatury.
