稀有晶体利用纯磁效应实现自我冷却

翠绿色的矿物氯铜矿（atacamite）以其首次发现地——智利的阿塔卡马沙漠命名，其特有的颜色源于所含的铜离子。这些离子也决定了材料的磁学性质：每个离子都拥有一个未成对电子，其自旋赋予离子磁矩——类似于指南针上的微小磁针。"氯铜矿的显著特征在于铜离子的排列方式，"于利希中子科学中心（JCNS）的莱奥妮·海因策博士解释道，"它们形成了由相互连接的小三角形构成的长链，称为锯齿链。" 这种几何结构带来了影响：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。"我们将此称为磁挫折（magnetic frustration），"海因策继续说道。受此挫折的影响，氯铜矿中的自旋仅在极低温度下——低于9开尔文（−264°C）——才排列成静态的交替结构。

当研究人员在德累斯顿强磁场实验室（HLD）的极高磁场环境下检测氯铜矿时，出现了令人惊讶的现象：材料在脉冲磁场中表现出明显的冷却效应——而且并非轻微下降，而是温度骤降至接近原始温度的一半。这种异常强烈的冷却效应尤其令研究人员着迷，因为在此背景下磁挫折材料的行为鲜有研究。然而，磁热材料被认为是传统冷却技术的有前景替代品，例如用于高效节能冷却或气体液化。这是因为，不同于压缩和膨胀制冷剂（这一过程发生在每个冰箱中），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？

在欧洲强磁场实验室（EMFL）多个分部的进一步研究提供了更深入的见解。"通过磁共振光谱学，我们能够清晰地证明，当施加磁场时，氯铜矿的磁序会被破坏，"HLD的科学家汤米·科特博士解释道，"这并不寻常，因为在许多磁挫折材料中，磁场通常会抵消挫折效应，甚至促进有序磁态的形成。"

该团队通过对矿物磁结构进行复杂的数值模拟，为其意外行为找到了解释：虽然磁场使位于锯齿链尖端的铜离子磁矩沿磁场方向排列，从而如预期般减少了磁挫折，但恰恰是这些磁矩介导了与邻近链的弱耦合。当这种耦合被移除时，长程磁序便无法再维持。这也为团队解释特别强的磁热效应提供了依据：当磁场影响系统的无序度——或更精确地说，磁熵（magnetic entropy）时，该效应总是会发生。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实的机制。

"当然，我们并不预期氯铜矿未来会被大规模开采用于新型冷却系统，"汤米·科特博士说，"但我们所研究的物理机制是全新的，而且我们观察到的磁热效应出乎意料地强。" 该团队希望他们的工作能激发进一步研究，特别是在庞大的磁挫折体系中有针对性地寻找创新的磁热材料。