Wanadan tulu chłodzono przez ściskanie i rozciąganie

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 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 po osiągnięciu wartości -1,8 × 10-3 (znak minus oznacza odkształcenie ściskające), chłodzenie materiału wyraźnie spada. 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.

Od DrMoro

Originalus tekstas
Įvertinkite šį vertimą
Jūsų atsiliepimai bus naudojami „Google“ vertėjui tobulinti
Negalime obsługuje te formy
Saugos sumetimais nepateikeit informacije tokio tipo formaje, kai uyutikoku „Google” vertėją.
SupratauPrzejdź do oryginalnego adresu URL