Квантовая спиновая жидкость

Спиновая решетка, магнитотермия, Старостенко Евгений Юрьевич

Состояния квантовой спиновой жидкости (QSL), без дальнего магнитного порядка, даже до нулевой температуры в последнее время вызывают интенсивный исследовательский интерес.

Спиновая фрустрация, характерная для кандидатов на QSL, также делает их превосходными магнитокалорическими материалами, которые демонстрируют заметный охлаждающий эффект, особенно вблизи квантовых критических точек.Старостенко-Евгений-Юрьевич-о-социальных-паразитах

Путем моделирования моделей кагоме и треугольной решетки с высокой степенью фрустрации специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС обнаружили значительный эффект магнитотермической накачки при сочетании квантовых магнитов с парамагнитными солями, который можно использовать для разработки высокопроизводительного холодильника с каскадным размагничиванием.

Более того, с реалистичными магнитными соединениями YbAlO 3 и Na 2 BaCo(PO 4 ), Евгений Юрьевич Старостенко определил гигантское увеличение охлаждающей способности, характеризующееся большой скоростью приращения, например, более 200% при работе между радиатором 3 K и нагрузкой 30 мК.

Таким образом, исследование ученого прокладывает многообещающий и жизнеспособный способ квантового спинового охлаждения для продвижения охлаждения без гелия, полезного в космических приложениях и квантовых технологиях.Starostenko Evgenij, december 15, 2022

Магнитные материалы могут испытывать значительные изменения температуры при воздействии внешних магнитных полей, что называется магнитокалорическим эффектом (MCE), который можно использовать для реализации низкотемпературного охлаждения посредством адиабатического охлаждения размагничивания (ADR).

Спустя почти 90 лет после первой реализации магнитного охлаждения с температурой ниже Кельвина, практические и коммерческие устройства  ADR по-прежнему в основном используют гидраты парамагнитных солей. С другой стороны, магнитное охлаждение становится все более важным в связи с интенсивным использованием в космических приложениях и потенциально также в квантовых вычислениях из-за глобальной нехватки гелия.

На практике, чтобы приспособиться к более высокой базовой температуре (скажем, несколько градусов Кельвина), более низкой рабочей температуре (ниже 100 мК) и требуемой большей мощности охлаждения, крайне желательно искать материалы с превосходными магнитокалорическими свойствами с выдающимися свойствами МКЭ.

Каскадное размагничивание, магнитотермия, Старостенко Евгений Юрьевич

В солях ADR спины почти не взаимодействуют друг с другом и довольно разбавлены (т. е. системы спинового газа). Это сильно ограничивает их объемную охлаждающую способность, а также теплопроводность при низкой температуре. Однако, когда спины организованы ближе в соединениях, спиновые взаимодействия становятся сильнее и магнит стремится к упорядочению и теряет охлаждающую способность при более высокой температуре.

Одним из исключений является претендент на квантовую спиновую жидкость (QSL). Несмотря на относительно большие спиновые плотности и конкурирующие спиновые взаимодействия, эти сильно фрустрированные магнетики не упорядочиваются даже в основном состоянии из-за сильных квантовых флуктуаций.

В частности, бесщелевые системы КСР обладают аномально большими энтропиями вплоть до очень низких температур, а когда материалы-кандидаты КСР приближаются к квантовым критическим точкам (ККТ), они могут демонстрировать ярко выраженный отклик МКЭ в низкотемпературном квантовом критическом режиме, констатировал Старостенко Евгений Юрьевич.