Международная группа исследователей разработала основные принципы для создания высокопроизводительных «молекулярных холодильников», способных охлаждаться до температур, очень близких к абсолютному нулю – тысячных долей Кельвина.

Такие ультраохлаждающие системы могут найти применение, например, в физике низких температур, охлаждение в которой в настоящее время создается с помощью дорогого и редкого гелия-3, для ряда физических исследований такой способ охлаждения просто может оказаться неудачным.

Работа молекулярных холодильников основана на явлении магнито-калориметрического эффекта, заключающегося в том, что уменьшение напряженности магнитного поля ферромагнитного материала приводит к понижению температуры. Ключом для достижения значительного магнито-калориметрического эффекта является создание материала с максимальным количеством неспаренных электронов с параллельно ориентированными спинами.

Эон Бречин (Euan Brechin) из Университета Эдинбурга, Кейт Мюррей (Keith Murray) из Университета Монаш (Австралия) и Марко Эвангелисти (Marco Evangelisti) из Университета Сарагосы получили металокомплекс, содержащий медь и гадолиний, который может быть охлажден до нескольких милликельвинов.

Рис. 1. Молекулярная структура гадолиний-медного
координационного соединения. (Рисунок из Chem. Sci.,
2011, DOI: 10.1039/c1sc00038a).

Для достижения требуемого высокого магнито-калориметрического эффекта исследователи использовали комплексный ион, содержащий пять атомов меди и четыре атома гадолиния – полученная система содержала большое количество неспаренных электронов с требуемым спиновым состоянием. Берчин замечает, что самой большой проблемой в получении нового материала было то, что в большинстве случаев взаимодействие металл-металл антиферромагнитны, и магнитные моменты различных атомов металлов компенсируют друг друга.

Таким образом, главной проблемой в получении нового материала было сохранение электронной и магнитной целостности индивидуальных ионов при введении их в молекулу, которая может быть использована в качестве молекулярного холодильника. Ключом к успеху оказались органические лиганды-линкеры. Для связывания ионов металлов исследователи использовали полиалкоголятные мостики, инкапсулируя металлоцентры в органическую «раковину». Такой подход позволял получать кристаллический материал, состоящий из отдельных молекул, каждая из которых сохраняла свои характеристики. При уменьшении напряженности магнитного поля может быть достигнуто существенное понижение температуры как на молекулярнгом уровне, так и на уровне всего материала.

Бренчин отмечает, что уменьшение напряженности магнитного поля на 1 Теслу приводит к уменьшению температуры на 2К, что является существенным проявлением магнито-калориметрического эффекта. По словам Бренчина, если предварительно охладить материал до 4К обычными способами, дальнейшие манипуляции с магнитным полем позволят молекулярных холодильникам охладиться почти до абсолютного нуля.