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Frustriertes aus Chile Grünes Wüstenmineral kann magnetisch für Kühlung sorgen

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 2 min Lesedauer

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Die Atacama in Chile ist die trockenste Wüste der Erde. Doch dort findet man das smaragdgrüne Mineral Atacamit, das bei tiefen Temperaturen ungewöhnlich reagiert ...

Dieses Mineral heißt Atacamit, weil man es in der Atacama-Wüste das erste Mal gefunden hat. Wussten Sie, dass es ein frustriertes Mineral ist? Was das ist und wie man diese Eigenschaft ausnutzen kann, haben Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf jetzt untersucht.(Bild: Mineralfuchs)
Dieses Mineral heißt Atacamit, weil man es in der Atacama-Wüste das erste Mal gefunden hat. Wussten Sie, dass es ein frustriertes Mineral ist? Was das ist und wie man diese Eigenschaft ausnutzen kann, haben Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf jetzt untersucht.
(Bild: Mineralfuchs)

Die grüne Farbe des Atacamit kommt von Kupferionen, die auch die magnetischen Eigenschaften erklären, wie Forscher vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ihren Bericht beginnen. Deren Elektronen kann man mit atomaren Kompassnadeln vergleichen, wie man erklärt. Die Kupferionen bilden dabei auch lange Ketten aus kleinen Dreiecken, die auch Sägezahnketten genannt werden. Diese Form wirkt sich aber aus! Denn die Spins der Kupferionen wollen sich eigentlich parallel zueinander anordnen, was aber durch die Dreiecksgeometrie nicht komplett klappt, wie es weiter heißt. Weil sie nicht können, wie sie wollen, sind die Spins sozusagen frustriert, was durchaus ein Fachbegriff ist. Erst bei Temperaturen von -264 °C gelingt es ihnen, zu machen, was sie wollen. Und als die Forscher das Atacamit einem sehr starken, pulsierenden Magnetfeld aussetzten, überraschte sie das Material mit einer deutlichen Abkühlung, die alles andere als klein war, wie man betont. Dieses Verhalten sei bisher unbekannt gewesen. Und solche, auch magnetokalorische Materialien genannte Substanzen, haben das Potenzial, Gase energieeffizient zu kühlen oder zu verflüssigen, wenn das Magnetfeld entsprechend passt. Das geschehe verlustärmer und umweltfreundlicher als mit den üblichen Methoden, die man von der Kühlschranktechnik her kenne.

Mehr zu diesem starken magnetokalorischen Effekt ...

Die Forscher konnten per Kernspinresonanz-Spektroskopie beweisen, dass ein starkes Magnetfeld die magnetische Ordnung im Atacamit zerstört, obwohl Magnetfelder eigentlich die Ordnung in magnetisch frustrierten Materialien unterstützen. Durch numerische Simulationen fand man schließlich heraus, dass das Magnetfeld die magnetischen Momente der Kupferionen auf den Spitzen der Sägezahnketten zwar entlang seines Feldes ausrichtet, also die Ordnung erhöht, doch die magnetischen Momente wirken sich auch auf benachbarte Ketten aus, wobei es zu Unordnung kommt, genannt magnetische Entropie. Das Material will diese aber ausgleichen und passt seine Temperatur entsprechend an, wobei es zu diesem starken Abkühleffekt kommt, wie man dazu erfährt. Das Team hofft nun, dass die Arbeit künftig weitere Forschung inspiriert – eben insbesondere die gezielte Suche nach innovativen magnetokalorischen Materialien innerhalb der umfangreichen Klasse magnetisch frustrierter Systeme. Denn man glaubt nicht, dass aufgrund dieser Neuentdeckung alsbald Atacamit im Großformat abgebaut werden wird.

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