Bei einem Mineral, das erstmals vor knapp 250 Jahren in der Atacama-Wüste entdeckt wurde, hat ein internationales Forschungsteam unter der Federführung der TU Braunschweig und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) kürzlich ein ungewöhnliches Verhalten beobachtet: Unter dem Einfluss eines starken Magnetfelds kühlte es sich auf fast die Hälfte seiner Ausgangstemperatur ab.
Das Mineral Atacamit ist somit ein sogenanntes magnetokalorisches Material. Die beobachtete Abkühlung ist den Forschern zufolge ungewöhnlich stark. Seine Ergebnisse präsentierte das Team in dem Fachmagazin Physical Review Letters.
Magnetische Frustration in einer Sägezahnkette
Die Erklärung für dieses Verhalten fand es in der atomaren Struktur des Minerals. Atacamit ist smaragdgrün, seine Farbe stammt von den enthaltenen Kupferionen. Diese besitzen jeweils ein ungepaartes Elektron, das den Ionen ein magnetisches Moment verleiht.
Atacamit ist ein seltenes Mineral, das zum Beispiel in der chilenischen Atacama-Wüste vorkommt.
(Bild: Rob Lavinsky, iRocks.com / CC-BY-SA-3.0)
"Das Besondere an Atacamit ist die Anordnung der Kupferionen", erklärt Leonie Heinze vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) und Erst-Autorin der Studie. "Sie bilden lange Ketten aus kleinen, miteinander verbundenen Dreiecken, die man als Sägezahnketten bezeichnet."
Um den energetisch günstigsten Zustand zu erreichen, müssten sich die magnetischen Momente antiparallel zueinander ausrichten. Aufgrund der dreieckigen Struktur ist dies jedoch nicht möglich; Physiker nennen dies magnetische Frustration.
Niedrige Temperatur im Magnetfeld
"Mittels Kernspinresonanzspektroskopie konnten wir eindeutig zeigen, dass ein angelegtes Magnetfeld die magnetische Ordnung in Atacamit durcheinanderbringt", sagt Tommy Kotte, Co-Autor der Studie und Wissenschaftler am HLD. "Das ist ungewöhnlich, da Magnetfelder in vielen magnetisch frustrierten Materialien üblicherweise der Frustration entgegenwirken und geordnete magnetische Zustände sogar fördern."
Im Atacamit richtet das Magnetfeld die magnetischen Momente der Kupferionen auf den Spitzen der Sägezahnketten entlang des Feldes aus und vermindert so wie erwartet die Frustration. Diese magnetischen Momente koppeln normalerweise jedoch benachbarte Ketten aneinander.
Fällt diese Kopplung weg, entsteht keine magnetische Ordnung mit großer Reichweite mehr. Das Magnetfeld beeinflusst somit die Unordnung des Kristalls, oder fachsprachlich: die Entropie. Um die rasche Änderung der Entropie auszugleichen, muss das Material seine Temperatur anpassen – es kühlt sich ab. Dies fanden die Forscher mithilfe numerischer Simulationen heraus.
Ein alternatives Kühlmittel
Magnetokalorische Materialien gelten als vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen Kühlmitteln. Durch Anlegen eines Magnetfelds könne die Temperatur umweltfreundlich und potenziell verlustarm verändert werden. Allerdings sind die benötigten Magnetfelder mit einer Stärke von 22 T extrem hoch und Atacamit gilt als zu selten für einen großflächigen Einsatz als Kühlmittel.
"Natürlich erwarten wir nicht, dass Atacamit künftig in großem Stil abgebaut wird, um damit neue Kühlsysteme zu bauen", erklärt Kotte. "Aber der von uns untersuchte physikalische Mechanismus ist grundlegend neu." Die Ergebnisse könnten also langfristig dazu beitragen, andere magnetokalorische Materialien zu entdecken und neue Materialien für eine energieeffiziente magnetische Kühlung zu entwickeln.
(spa)
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