Fizycy schłodzili TmVO4 z 5 do 2,36 Kelwinów, wykorzystując efekt sprężysto-kaloryczny, zjawisko, w którym rozciąganie lub ściskanie materiału powoduje spadek jego temperatury. Naukowcy zaobserwowali także nieliniową naturę procesu – chłodzenie sprężysto-kaloryczne osiągnęło maksimum przy początkowej temperaturze próbki wynoszącej 3,6 kelwina. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Physical Review Applied.
Aby osiągnąć temperaturę kilku kelwinów lub niższą dla makroskopowych ilości materii, fizycy zazwyczaj stosują jedną z dwóch sprawdzonych metod: chłodzenie ciekłym helem lub adiabatyczne rozmagnesowanie jądrowe. Pierwsza metoda wymaga kosztownego izotopu helu, który występuje niezwykle rzadko w przyrodzie, druga zaś wymaga dużego i skomplikowanego sprzętu generującego silne pola magnetyczne. Dlatego naukowcy ciągle poszukują nowych sposobów na uzyskanie bardzo niskich temperatur.
Efekt elastokaloryczny jest jedną z alternatywnych metod wykorzystania technologii kriogenicznych. Istotą tego efektu jest to, że podczas adiabatycznego (czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem) rozciągania lub ściskania, materiał traci część swojej energii wewnętrznej, wskutek czego ulega ochłodzeniu. Jak dotąd istnieją jednak dwa problemy. Po pierwsze, naukowcy nie opracowali jeszcze metod pomiaru efektu elastokalorycznego w temperaturach bliskich zera, a po drugie, odkryto niewiele materiałów o odpowiednich właściwościach.
Mark Zic ze Stanford University wraz ze współpracownikami ze Stanów Zjednoczonych zademonstrował chłodzenie w zakresie bardzo niskich temperatur przy użyciu wanadanu tulu, który wykazuje właściwości elastokaloryczne ze względu na efekt Jahna-Tellera: po asymetrycznej deformacji dublet stanu podstawowego jonu Tm3+ rozpada się, pochłaniając energię.
Aby to zrobić, fizycy wyhodowali pojedyncze kryształy TmVO4 i umieścili je między płytkami tensometru, który po przyłożeniu napięcia powodował odkształcanie się próbek w dwóch różnych kierunkach, tworząc asymetryczną krzywiznę sieci krystalicznej. Przed każdym nowym eksperymentem naukowcy najpierw mierzyli początkową temperaturę materiału za pomocą czujnika dwutlenku rutenu i ustawiali początkowe odkształcenie (w większości eksperymentów było to ściskanie rzędu −2,7 × 10-3), a następnie przesyłali impuls o czasie trwania około sekundy do tensometru, który odkształcał próbkę, rozciągając ją lub ściskając.
W rezultacie fizycy zauważyli, że wraz ze wzrostem odkształcenia wzrastało również chłodzenie próbki, ale po osiągnięciu wartości −1,8 × 10-3 (znak minus oznacza odkształcenie ściskające), chłodzenie materiału wyraźnie spadało. Jednocześnie efekt elastokaloryczny był praktycznie nieobecny przy początkowej temperaturze wanadanu tulu wynoszącej 8 kelwinów i osiągnął maksimum przy temperaturze 3,6 kelwina. Maksymalne schłodzenie, jakie zanotowali naukowcy, wyniosło około 2,64 kelwinów (próbka schłodziła się z temperatury 5 do 2,36 kelwinów) przy odkształceniu rozciągającym wynoszącym około 1,8 × 10-3. Aby ocenić wydajność opracowanej chłodnicy, naukowcy obliczyli jej gęstość mocy objętościowej, która wyniosła 0,34 wata na centymetr sześcienny dla próbki o wadze 0,19 miligrama.
Ponieważ właściwości sprężysto-kaloryczne materiału powstają na skutek efektu Jahna-Tellera, autorzy pracy zaproponowali również wykorzystanie jądrowego rezonansu magnetycznego i rozpraszania Ramana do poszukiwania nowych kandydatów i testowania ich właściwości kriogenicznych.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy wykorzystali inną egzotyczną metodę – „ciemne” stany cząstek – i schłodzili chmurę cząsteczek do rekordowo niskiej temperatury.