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.
В результате физики заметили, что когда деформация увеличивалась, росло и охлаждение образца, однако при достижении значения −1,8 × 10-3 (знак минус означает деформацию сжатия) охлаждение материала заметно уменьшается. При этом эластокалорический эффект практически отсутствовал при начальной температуре ванадата тулия в 8 кельвин и достигал своего максимума при 3,6 кельвина. Максимальное экспериментальное охлаждение, которое зафиксировали ученые, оказалось равным примерно 2,64 кельвина (образец остыл с 5 до 2,36 кельвина) при деформации растяжения около 1,8 × 10-3. Чтобы оценить эффективность разработанного охладителя, исследователи подсчитали его объемную удельную мощность — она составила 0,34 ватта на кубический сантиметр для образца массой 0,19 миллиграмм.
Поскольку эластокалорические свойства возникают в материале за счет эффекта Яна — Теллера, авторы работы также предложили использовать ядерный магнитный резонанс и комбинационное рассеяние для поиска новых кандидатов и проверки их криогенных способностей.
О том, как физики использовали другой экзотический метод — «темные» состояния частиц, и охладили облако молекул до рекордно низкой температуры, мы писали ранее.
