Pilovitá magnetická struktura atakamitu, umělecká představa. Magnetické momenty (zelené) iontů Cu (bílé a modré) nemohou být kvůli trojúhelníkovému uspořádání orientovány zcela antiparalelně. Kredit: Schröder/HZDR

Magnetická frustrace v atakamitu vyvolává dramatické ochlazení při vystavení silnému poli

I dobře známé materiály nás dokážou překvapit. Atakamit (Cu2(OH)3Cl, hydroxid-chlorid měďnatý) je smaragdově zelený minerál pojmenovaný podle místa, kde byl poprvé nalezen – pouště Atacama v Chile.
Atakamit vykazuje magnetokalorické chování při nízkých teplotách – to znamená, že teplota materiálu se výrazně mění, když je vystaven magnetickému poli. Tým vedený vědci z TU Braunschweig a HZDR (Helmholtz Association of German Research Centres) nyní tuto vzácnou vlastnost zkoumal podrobněji.
Minerál má své charakteristické zbarvení díky měďnatým iontům. Tyto ionty také určují magnetické vlastnosti materiálu: každý z atomů Cu má nespárovaný elektron, jehož spin dává iontu magnetický moment.
„Výrazným rysem atakamitu je uspořádání měďnatých iontů,“ uvedla spoluautorka studie Leonie Heinze z Jülich Center for Neutron Science (JCNS). „Tvoří dlouhé řetězce malých propojených trojúhelníků, pilovité útvary.“ Tato geometrická struktura má své důsledky: přestože se spiny měďnatých iontů chtějí vždy seřadit antiparalelně k sobě, trojúhelníkové uspořádání to z geometrického hlediska neumožňuje. V důsledku této magnetické frustrace se spiny v atakamitu uspořádávají pouze při velmi nízkých teplotách (pod 9 K), a to do statické střídavé struktury.
Když nyní vědci zkoumali atakamit v extrémně vysokých magnetických polích, zjistili ale něco překvapivého: V pulzním magnetickém poli došlo k výraznému ochlazení materiálu – a to ne malému, ale pořádnému. Zaznamenán byl pokles teploty téměř na polovinu (poznámka: asi tedy míněno na stupnici v kelvinech). Tento neobvykle silný chladicí efekt výzkumníky obzvláště fascinoval, protože chování magneticky frustrovaných materiálů v tomto kontextu bylo dosud studováno jen zřídka.
Magnetokalorické materiály jsou však považovány za slibnou alternativu k běžným technologiím chlazení, například pro energeticky úsporné chlazení nebo zkapalňování plynů. Je tomu tak proto, že namísto stlačování a rozpínání chladicího média (princip běžné ledničky) mohou být tyto materiály použity ke změně teploty působením magnetického pole, způsobem šetrným k životnímu prostředí a s potenciálně nízkými ztrátami energie.
Další výzkum přinesl podrobnější poznatky. Pomocí magnetické rezonanční spektroskopie se podařilo prokázat, že magnetický řád atakamitu se při aplikaci magnetického pole zničí. To je neobvyklé, protože magnetická pole v mnoha magneticky frustrovaných materiálech obvykle působí proti frustraci a dokonce podporují uspořádané magnetické stavy.
Tým našel vysvětlení nečekaného chování minerálu pomocí komplexních numerických simulacích jeho magnetické struktury: zatímco magnetické pole vyrovnává magnetické momenty měďnatých iontů na koncích pilovitých řetězců podél pole, a tím podle očekávání snižuje frustraci, jsou to právě tyto magnetické momenty, které zprostředkovávají slabou vazbu na sousední řetězce. Když se toto odstraní, magnetický řád na dlouhé vzdálenosti již nemůže existovat.
To také vědcům poskytlo vysvětlení pro obzvláště silný magnetokalorický efekt: dochází k němu vždy, když magnetické pole ovlivňuje neuspořádanost – přesněji řečeno magnetickou entropii – systému. Aby se tato rychlá změna entropie vyrovnala, musí materiál odpovídajícím způsobem upravit svou teplotu. Právě tento mechanismus se nyní vědcům podařilo prokázat u atakamitu.

Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org, přeloženo, zkráceno

Poznámka PH: Na pohled ne zrovna srozumitelné. „Aby se tato rychlá změna entropie vyrovnala“ znamená přesně co? Ochlazení materiálu odpovídá poklesu entropie, ale to snad není nutné, když entropie se nezachovává…? Výklad: viz např. heslo Magnetokalorický jev na Wikipedia.cz https://cs.wikipedia.org/wiki/Magnetokalorick%C3%BD_jev, kde je popsán i příslušný chladicí cyklus.

Mitochondriální dysfunkce souvisejí s nástupem Alzheimerovy choroby i reakcí na léčbu

V neuronech, které mají speciálně vysoké energetické nároky, může mít dysfunkce mitochondrií zvlášť devastující následky. …

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *