Forschung: Magnetisches Kühlen mit einem Wüstenmineral

Immer wieder finden sich unter den zahllosen bekannten Mineralien Materialien mit außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften. Ein solches ist das smaragdgrüne Mineral Atacamit (Cu₂Cl(OH)₃), das nun als Modellsubstanz für sogenannte frustrierte Quantenspinsysteme identifiziert wurde. Obwohl die magnetischen Kupfer-Ionen in Atacamit stark miteinander wechselwirken, setzt aufgrund ihrer besonderen geometrischen Anordnung die magnetische Ordnung erst bei Temperaturen unterhalb von 9 K ein – ein Phänomen, das als magnetische Frustration bezeichnet wird.

Durch weitergehende Untersuchungen am Hochfeld-Magnetlabor Dresden konnte bei tiefen Temperaturen ein quantenkritischer Punkt (QKP) bei etwa 22 T identifiziert werden. Mithilfe von Magnetisierungs-, Wärmekapazitäts- und Kernspinresonanzmessungen sowie numerischen Simulationen zeigte sich, dass an diesem Punkt die dreidimensionale magnetische Ordnung zusammenbricht und das System ein eindimensionales Verhalten annimmt.

Da in der Umgebung des QKP die Kristalltemperatur empfindlich auf Magnetfeldänderungen reagiert, sind diese Ergebnisse auch für zukünftige Kühltechnologien auf Basis des magnetokalorischen Effekts von potenzieller Relevanz.

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 Cu₂⁢Cl⁢(OH)₃ in High Magnetic Fields: Quantum Criticality and Dimensional Reduction of a Sawtooth-Chain Compound,
Phys. Rev. Lett. 134, 216701 (2025) (arXiv)