在智利阿塔卡马沙漠深处，科学家研究了一种名为氯铜矿的绿色晶体，发现当其置于磁场中时，能够显著自我冷却。与普通冰箱不同，这种效应不依赖气体或压缩机。相反，它源于该晶体独特的内部结构，其中微小的磁力陷入了一种“阻挫”状态。当这些纠缠的磁力受到磁场扰动时，晶体温度会骤然下降。这一奇妙的自然机制有望在未来帮助我们开发更环保、更高效的冷却技术。
翠绿色的矿物氯铜矿以其首次发现地——智利的阿塔卡马沙漠——命名，其特有的颜色源自其中所含的铜离子。这些离子还决定了该材料的磁性：每个离子都有一个未配对电子，其自旋赋予离子一个磁矩——可比作指南针上的小指针。“氯铜矿的显著特征是铜离子的排列，”尤利希中子科学中心（JCNS）的Leonie Heinze博士解释道。“它们形成了由连接的小三角形构成的长链，被称为锯齿链。”这种几何结构带来了后果：尽管铜离子的自旋总是希望彼此反平行排列，但三角形排列使得这在几何上无法完全实现。“我们称之为磁阻挫，”Heinze继续说道。由于这种阻挫，氯铜矿中的自旋仅在极低温度下——低于9开尔文（−264°C）——才排列成静态交替结构。
当研究人员在HZDR的高磁场实验室（HLD）的极强磁场下检查氯铜矿时，令人惊讶的现象出现了：该材料在脉冲磁场中表现出明显的冷却——不仅仅是轻微的降温，而是温度降至原始温度的近一半。这种异常强烈的冷却效应令研究人员特别着迷，因为磁阻挫材料在此背景下的行为鲜有研究。然而，磁热材料被认为是传统冷却技术的一种有前途的替代方案，例如用于节能冷却或气体液化。这是因为，不同于压缩和膨胀冷却剂——这是每台冰箱中都发生的过程——它们可以通过施加磁场以环保且潜在低损耗的方式来改变温度。
这种强磁热效应的起源是什么？
在欧洲磁场实验室（EMFL）各个实验室进行的额外研究提供了更深入的见解。“通过使用磁共振波谱，我们能够清楚地证明，当施加磁场时，氯铜矿的磁有序被破坏，”HLD的科学家Tommy Kotte博士解释道。“这很不寻常，因为在许多磁阻挫材料中，磁场通常会抵消阻挫，甚至促进有序的磁态。”
研究团队在其磁结构的复杂数值模拟中找到了该矿物意外行为的解释：虽然磁场使锯齿链顶端的铜离子磁矩沿磁场方向排列，从而如预期那样减少了阻挫，但恰恰是这些磁矩介导了与相邻链的弱耦合。当这种耦合被消除时，长程磁有序便无法存在。这也为特别强的磁热效应提供了解释：当磁场影响系统的无序度——或者更准确地说，磁熵——时，这种效应总是会发生。为了补偿熵的这种快速变化，材料必须相应地调整其温度。这正是研究人员如今在氯铜矿中成功证明的机制。
“当然，我们并不指望未来会大规模开采氯铜矿用于新型冷却系统，”Tommy Kotte博士说，“但我们研究的物理机制是全新的，而且我们观察到的磁热效应出奇地强。”团队希望他们的工作能激发进一步的研究，特别是在广泛的磁阻挫体系中有针对性地寻找新型磁热材料。