Magnetisch kühlen – mit einem Mineral aus der Wüste Forschungsteam klassifiziert Atacamit als magnetokalorisches Material

Unter den zahllosen bekannten Mineralen finden sich immer wieder Materialien mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften. So zum Beispiel Atacamit, das bei tiefen Temperaturen ein magnetokalorisches Verhalten zeigt – also seine Temperatur durch Anlegen eines Magnetfeldes drastisch verändert. Diese seltene Eigenschaft hat nun ein internationales Team unter Federführung der Technischen Universität Braunschweig und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) untersucht. Die Ergebnisse könnten langfristig dazu beitragen, neue Materialien für eine energieeffiziente Kühlung zu entwickeln.

Das smaragdgrüne Mineral Atacamit, benannt nach seinem Erstfundort, der chilenischen Atacama-Wüste, verdankt seine charakteristische Färbung Kupferionen, die auch die magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmen: Sie besitzen jeweils ein ungepaartes Elektron, dessen Spin dem Ion ein magnetisches Moment verleiht – vergleichbar mit einer winzigen Kompassnadel. „Das Besondere an Atacamit ist die Anordnung der Kupferionen“, erklärt Dr. Leonie Heinze vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) und Heinrich-Büssing-Preisträgerin der TU Braunschweig. „Sie bilden lange Ketten aus kleinen, miteinander verbundenen Dreiecken, die man als Sägezahnketten bezeichnet“. Diese geometrische Struktur hat Konsequenzen: Obwohl sich die Spins der Kupferionen grundsätzlich antiparallel zueinander ausrichten wollen, ist dies innerhalb der Dreiecksanordnung geometrisch nicht vollständig möglich. „Man spricht in diesem Fall von magnetischer Frustration.“ Als Folge dieser Frustration ordnen sich die Spins in Atacamit erst bei sehr tiefen Temperaturen – unter 9 Kelvin (−264 °C) – in einer statischen, alternierenden Struktur.

Als die Forschenden Atacamit in den extrem hohen Magnetfeldern des Hochfeld-Magnetlabors (HLD) am HZDR untersuchten, fanden sie Überraschendes: Das Material zeigt in den gepulsten Magnetfeldern eine deutliche Abkühlung – und zwar nicht nur geringfügig, sondern auf fast die Hälfte der Ausgangstemperatur. Dieser außergewöhnlich starke Abkühlungseffekt faszinierte die Forschenden besonders, da das Verhalten magnetisch frustrierter Materialien in diesem Zusammenhang bisher kaum erforscht ist. Magnetokalorische Materialien gelten jedoch als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kühltechnologien, etwa für die energieeffiziente Kühlung oder die Verflüssigung von Gasen. Denn statt durch die Kompression und Expansion eines Kühlmittels – ein Prozess, der in jedem Kühlschrank abläuft – kann mit ihnen die Temperatur durch das gezielte Anlegen eines Magnetfelds verändert werden, umweltfreundlich und potentiell verlustarm.

Woher stammt der unerwartet starke magnetokalorische Effekt?

Weitere Untersuchungen an verschiedenen Laboren des European Magnetic Field Laboratory (EMFL) förderten noch tiefere Einsichten zutage. „Mittels Kernspinresonanzspektroskopie konnten wir eindeutig zeigen, dass ein angelegtes Magnetfeld die magnetische Ordnung in Atacamit durcheinanderbringt“, erklärt Dr. Tommy Kotte, Wissenschaftler am Hochfeld-Magnetlabor in Dresden. „Das ist ungewöhnlich, da Magnetfelder in vielen magnetisch frustrierten Materialien üblicherweise der Frustration entgegenwirken und geordnete magnetische Zustände sogar fördern.“

Eine Erklärung für das unerwartete Verhalten des Minerals fand das Team in aufwändigen numerischen Simulationen der magnetischen Struktur, durchgeführt durch Dr. Roman Rausch und Prof. Christoph Karrasch vom Institut für Mathematische Physik der Technischen Universität Braunschweig: Zwar richtet das Magnetfeld die magnetischen Momente der Kupferionen auf den Spitzen der Sägezahnketten entlang des Feldes aus und vermindert so wie erwartet die Frustration. Doch gerade diese magnetischen Momente vermitteln auch eine schwache Kopplung zu benachbarten Ketten. Wenn diese wegfällt, kann keine magnetische Ordnung mit großen Reichweiten mehr bestehen. Damit kann das Team auch den auffallend starken magnetokalorischen Kühleffekt erklären: Er tritt immer dann auf, wenn ein Magnetfeld die Unordnung – oder genauer gesagt, die magnetische Entropie – des Systems beeinflusst. Um diese rasche Änderung der Entropie auszugleichen, muss das Material seine Temperatur entsprechend anpassen und kühlt sich stark ab. Und genau diesen Mechanismus haben die Forschenden nun in Atacamit direkt nachgewiesen.

„Natürlich erwarten wir nicht, dass Atacamit künftig in großem Stil abgebaut wird, um damit neue Kühlsysteme zu bauen“, erklärt Dr. Tommy Kotte. „Aber der von uns untersuchte physikalische Mechanismus ist grundlegend neu, und der beobachtete magnetokalorische Effekt fällt überraschend stark aus.“ Das Team hofft, dass die Arbeit künftig weitere Forschung inspiriert, insbesondere die gezielte Suche nach innovativen magnetokalorischen Materialien innerhalb der umfangreichen Klasse magnetisch frustrierter Systeme.