Казанские ученые первыми в России вырастили кристалл для охлаждения веществ до сверхнизких температур

Ученые Института физики подведомственного Минобрнауки России Казанского федерального университета (КФУ) впервые в России синтезировали литиевый тетрафторид гадолиния (LiGdF4). Перспективный материал с заданными магнитными свойствами может применяться в тех сферах, где необходимо создавать и поддерживать очень низкие и сверхнизкие температуры, например, при создании лазеров, квантовых компьютеров и космических инфракрасных телескопов.

Проблема производства безопасных, экологичных и экономичных холодильных установок остается актуальной и привлекает внимание научных коллективов по всему миру. В современных «холодильниках» возможно вытекание рабочих газов, что приводит к поломке установки и негативно сказывается на окружающей среде. Среди разнообразия альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, ученые считают перспективным использование систем магнитного охлаждения.

Соединения Gd относят к веществам, которые могут потенциально обладать подобными свойствами. В лаборатории магнитной радиоспектроскопии имени С. А. Альтшулера кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ ученые вырастили и детально изучили кристалл LiGdF4.

«Литиевый тетрафторид гадолиния используется как резервуар, спиновая подсистема которого при адиабатическом выключении магнитного поля отбирает тепло у решетки кристалла, в результате чего система охлаждается», — объяснила Ирина Романова, заместитель директора по научной деятельности, доцент кафедры общей физики, инженер научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники имени С. А. Альтшулера кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ.

Сейчас выращиванием монокристаллов LiGdF4 в лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники КФУ занимаются Стелла Кораблева, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий КФУ, и Олег Морозов, младший научный сотрудник кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии КФУ.

Кристаллическая структура LiRF4 близка к структуре шеелита. Выращивание соединений подобной структуры — это весьма сложный технологический процесс, требующий высокой очистки реактивов от примеси кислорода и влаги, жесткого фторирования, нестандартной конфигурации теплового узла, строгого соблюдения технологического режима и многочисленных ноу-хау.

Исследователи из КФУ пояснили, что для синтезирования кристаллов LiREF4 (как и для других фторидов, выращиваемых из расплава) в основном применяются методы Бриджмена–Стокбаргера и Чохральского. Ученые КФУ использовали метод Бриджмена–Стокбаргера для получения кристаллов, поскольку он аппаратурно более простой и экономичный, чем метод Чохральского. Метод Бриджмена–Стокбаргера позволяет выращивать кристаллы нужного для исследований размера в течение одной недели из небольшого объема шихты — требуется всего несколько граммов. Выращивание кристалла осуществлялось на ориентированную затравку в форме, предназначенной для плавления металлов, — графитовом тигле специально разработанной конструкции.

Исследователи отмечают, что двойные фториды выращенного кристалла являются эффективными многофункциональными материалами квантовой электроники. Значительный интерес представляют и магнитные свойства LiGdF4, в том числе низкотемпературные фазовые переходы. Исследованием нового соединения ученые КФУ занимаются вместе с коллегами из Института физических проблем имени П. Л. Капицы РАН: старшими научными сотрудниками Сергеем Сосиным и Василием Глазковым.

«Фториды редкоземельных элементов лития LiREF4 представляют собой семейство магнитных материалов с доминирующим дипольным взаимодействием. На их магнитные свойства могут существенно влиять и одноионная анизотропия, и обменные взаимодействия между магнитными редкоземельными ионами. Это влияние особенно заметно в наиболее изотропном члене семейства LiGdF4, который не проявляет магнитного упорядочения вплоть до диапазона в несколько сотен милликельвинов», — рассказал Руслан Батулин, ведущий научный сотрудник НИЛ Квантовые симуляторы, доцент кафедры общей физики Института физики КФУ.

Ученый добавил, что кристаллы LiGdF4 представляются многообещающими материалами для систем охлаждения с адиабатическим размагничиванием из-за высокого изменения объемной энтропии, которое, в свою очередь, связано с высокой плотностью ионов Gd.

«Основным преимуществом таких систем на основе магнитокалорического эффекта LiGdF4 является возможность получить низкие температуры в интервале 10–4 К с мощностью охлаждения до 100 мВт. Такие материалы имеют большое практическое значение, например, в качестве ступени охлаждения будущих космических инфракрасных телескопов с криоохлаждением (SAFIR)», — пояснил Руслан Батулин.

Исследование, результаты которого опубликованы в одном из ведущих научных журналов, подтвердили, что монокристалл LiGdF4 может использоваться для создания усиленного магнитокалорического эффекта и магнитного охлаждения до температур около 100 милликельвинов (порядка 273 градусов Цельсия). Научный проект ученых был поддержан грантом Российского научного фонда.