Refrigeración magnética: un mineral frustrado en el desierto
Un equipo de investigadores identifica la atacamita como material magnetocalórico
Los cristales naturales fascinan por sus vibrantes colores, su aspecto casi impecable y sus múltiples formas simétricas. Pero los investigadores se interesan por ellos por razones muy distintas: entre los innumerables minerales ya conocidos, siempre descubren algunos materiales con propiedades magnéticas inusuales. Uno de ellos es la atacamita, que muestra un comportamiento magnetocalórico a bajas temperaturas, es decir, la temperatura del material cambia significativamente cuando se somete a un campo magnético. Un equipo dirigido por la Universidad Técnica de Braunschweig y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha investigado esta rara propiedad. A largo plazo, los resultados podrían ayudar a desarrollar nuevos materiales para la refrigeración magnética energéticamente eficiente.
El mineral atacamita, de color verde esmeralda y llamado así por el lugar donde se encontró por primera vez, el desierto de Atacama (Chile), obtiene su color característico de los iones de cobre que contiene. Estos iones también determinan las propiedades magnéticas del material: cada uno de ellos tiene un electrón no apareado cuyo espín confiere al ion un momento magnético, comparable al de una diminuta aguja en una brújula. "La característica distintiva de la atacamita es la disposición de los iones de cobre", explica la Dra. Leonie Heinze, del Centro Jülich para la Ciencia de Neutrones (JCNS). "Forman largas cadenas de pequeños triángulos enlazados conocidas como cadenas en diente de sierra". Esta estructura geométrica tiene consecuencias: aunque los espines de los iones de cobre siempre quieren alinearse de forma antiparalela entre sí, la disposición triangular hace que esto sea geométricamente imposible de conseguir por completo. "A esto lo llamamos frustración magnética", continúa Heinze. Como resultado de esta frustración, los espines de la atacamita sólo se disponen a temperaturas muy bajas -por debajo de 9 Kelvin (-264°C)- en una estructura estática alternante.
Cuando los investigadores examinaron la atacamita bajo los altísimos campos magnéticos del Laboratorio de Altos Campos Magnéticos (HLD) de la HZDR, surgió algo sorprendente: el material mostraba un notable enfriamiento en los campos magnéticos pulsados, y no sólo ligero, sino una caída a casi la mitad de la temperatura original. Este efecto de enfriamiento inusualmente fuerte fascinó especialmente a los investigadores, ya que apenas se ha estudiado el comportamiento de los materiales magnéticamente frustrados en este contexto. Sin embargo, los materiales magnetocalóricos se consideran una alternativa prometedora a las tecnologías de refrigeración convencionales, por ejemplo para el enfriamiento energéticamente eficiente o la licuefacción de gases. Esto se debe a que, en lugar de comprimir y expandir un refrigerante -proceso que tiene lugar en todos los frigoríficos-, pueden utilizarse para modificar la temperatura aplicando un campo magnético de forma ecológica y con pocas pérdidas potenciales.
¿Cuál es el origen de este fuerte efecto magnetocalórico?
Otros estudios realizados en diversos laboratorios del Laboratorio Europeo de Campos Magnéticos (EMFL) permitieron profundizar en el tema. "Mediante espectroscopia de resonancia magnética, pudimos demostrar claramente que el orden magnético de la atacamita se destruye cuando se aplica un campo magnético", explica el Dr. Tommy Kotte, científico del HLD. "Esto es inusual, ya que los campos magnéticos en muchos materiales magnéticamente frustrados suelen contrarrestar la frustración e incluso fomentar estados magnéticos ordenados".
El equipo encontró la explicación del inesperado comportamiento del mineral en complejas simulaciones numéricas de su estructura magnética: mientras que el campo magnético alinea los momentos magnéticos de los iones de cobre en las puntas de las cadenas en diente de sierra a lo largo del campo y reduce así la frustración, como era de esperar, son precisamente estos momentos magnéticos los que median un débil acoplamiento con las cadenas vecinas. Cuando esto se elimina, ya no puede existir un orden magnético de largo alcance. Esto también proporcionó al equipo una explicación para el efecto magnetocalórico particularmente fuerte: siempre se produce cuando un campo magnético influye en el desorden -o más exactamente, en la entropía magnética- de un sistema. Para compensar este rápido cambio de entropía, el material tiene que ajustar su temperatura en consecuencia. Éste es precisamente el mecanismo que los investigadores han logrado demostrar ahora en la atacamita.
"Por supuesto, no esperamos que la atacamita se explote ampliamente en el futuro para utilizarla en nuevos sistemas de refrigeración", afirma el Dr. Tommy Kotte, "pero el mecanismo físico que hemos investigado es fundamentalmente nuevo y el efecto magnetocalórico que hemos observado es sorprendentemente fuerte." El equipo espera que su trabajo inspire nuevas investigaciones, especialmente una búsqueda específica de materiales magnetocalóricos innovadores dentro de la extensa clase de sistemas magnéticamente frustrados.
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Publicación original
L. Heinze, T. Kotte, R. Rausch, A. Demuer, S. Luther, R. Feyerherm, E. L. Q. N. Ammerlaan, U. Zeitler, D. I. Gorbunov, M. Uhlarz, K. C. Rule, A. U. B. Wolter, H. Kühne, J. Wosnitza, C. Karrasch, S. Süllow, Atacamite Cu₂Cl(OH)₃ in High Magnetic Fields: Quantum Criticality and Dimensional Reduction of a Sawtooth-Chain Compound, in Physical Review Letters, 2025
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