Een natuurlijk kristal uit de Atacamawoestijn blijkt onverwacht goed af te koelen onder invloed van een magnetisch veld. Die eigenschap maakt het mineraal atacamiet interessant voor de ontwikkeling van energiezuinige koeltechnologieën, zeggen Duitse onderzoekers.
Wetenschappers van de Technische Universiteit Braunschweig en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben ontdekt dat het mineraal atacamiet afkoelt wanneer het wordt blootgesteld aan een magnetisch veld. Atacamiet, genoemd naar de Atacamawoestijn in Zuid-Amerika waar het voor het eerst werd gevonden, heeft een smaragdgroene kleur dankzij de aanwezigheid van koperionen. Juist die koperionen – elektrisch geladen deeltjes – geven het mineraal zijn bijzondere magnetische eigenschappen en zorgen voor het verkoelende effect. De onderzoekers willen nu onderzoeken of atacamiet geschikt is als energie-efficiënt koelmiddel.
Koperionen
“Wat atacamiet zo bijzonder maakt, is de rangschikking van de koperionen,” legt dr. Leonie Heinze van het Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) uit. Deze ionen vormen lange ketens van kleine, verbonden driehoeken – structureel bekend als ‘sawtooth’-ketens. Hoewel de spins (kleine magnetische richtingen van elektronen) van de koperionen zich het liefst tegenovergesteld aan elkaar oriënteren, maakt de driehoekige geometrie dát onmogelijk. Dit leidt tot magnetische frustratie: een toestand van interne spanningen in het magnetisch patroon.
Pas bij temperaturen onder de 9 kelvin (ongeveer −264 °C) komt er een soort rust in de structuur en ordenen de spins zich in een vast patroon. Om het gedrag van atacamiet te onderzoeken, plaatsten de wetenschappers het mineraal in een extreem sterk magneetveld in het High Field Magnet Laboratory (HLD) van het HZDR. Daar bleek dat het kristal onder invloed van het magnetisch veld sterk afkoelde – tot wel de helft van zijn oorspronkelijke temperatuur. Verder onderzoek toonde aan dat het magnetisch veld de magnetische rangschikking in atacamiet verstoort. “Dat is ongebruikelijk,” zegt Tommy Kotte, een wetenschapper bij het HLD. Kotte: “Magnetische velden in veel magnetisch gefrustreerde materialen gaan frustratie meestal tegen en bevorderen zelfs geordende magnetische toestanden.”
Het mineraal werd ook gebruikt voor verfstoffen, zoals ook bleek bij overblijfselen van een oud Egyptisch paleis.
Magentische entropie
In atacamiet gebeurt dus het tegenovergestelde. De oorzaak daarvoor ligt in een fundamenteel natuurkundig principe: magnetische entropie – een maat voor wanorde in het spinsysteem. Wanneer een sterk magneetveld de bestaande magnetische structuur verstoort, moet het systeem energie kwijtraken om in evenwicht te komen. Dat doet het door af te koelen.
“Natuurlijk verwachten we niet dat atacamiet in de toekomst op grote schaal zal worden gewonnen om nieuwe koelsystemen te bouwen,” legt Kotte uit. “Maar het fysische mechanisme dat we hebben onderzocht is fundamenteel nieuw en het magnetocalorische effect dat we hebben waargenomen is verrassend sterk.”
