Исследователи кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики Казанского федерального университета впервые наблюдали анизотропию магнитокалорического эффекта в гейзенберговском магнетике LiGdF4.

Литиевый тетрафторид гадолиния, который представляет собой прозрачную пластинку размером 4 на 4 мм и толщиной 0,1 мм, был выращен старшим научным сотрудником НИЛ магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера КФУ Стеллой Кораблевой и младшим научным сотрудником кафедры НИЛ «Многофункциональные наноструктуры и кристаллы фотоники для решения фундаментальных задач биомедицины и материаловедения» Олегом Морозовым в научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ. Эта НИЛ занимается выращиванием монокристаллов литиевых тетрафторидов редкоземельных элементов оптического качества уже много десятилетий.

Как рассказала заместитель директора по научной деятельности, доцент кафедры общей физики, инженер НИЛ магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники Института физики КФУ Ирина Романова, литиевые тетрафториды гадолиния являются перспективными материалами для квантовой электроники. Особенный интерес у ученых вызывают магнитные свойства LiGdF4, в том числе низкотемпературные фазовые переходы.

Исследовав вместе с коллегами из Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН Сергеем Сосиным и Василием Глазковым в рамках реализации совместного проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, монокристалл, который был выращен впервые в России в лаборатории КФУ, физики Казанского университета обнаружили анизотропный магнитокалорический эффект.

Как пояснила И. Романова, этот эффект используется для охлаждения методом адиабатического размагничивания, позволяя достигать очень низких и сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю.

Анизотропия – разница в исследуемых характеристиках относительно кристаллографических осей монокристалла. Если бы магнитокалорический эффект был бы во всех направлениях одинаковым, то охлаждение было бы намного менее эффективным.

«Из кристалла, выращенного методом Бриджмена–Стокбаргера, нами была вырезана пластинка вдоль его плоскости – ас. Измерения, проведенные в температурном диапазоне 2–10 К, показали значительную разницу охлаждающей эффективности при приложении внешнего магнитного поля вдоль оси а и вдоль оси с. Анизотропия возникает из-за конкуренции вкладов в парамагнитную восприимчивость от различных взаимодействий, – объясняет ведущий научный сотрудник НИЛ «Квантовые симуляторы», доцент кафедры общей физики Института физики КФУ Руслан Батулин. – Нами было продемонстрировано, что намагничивание кристалла LiGdF4 вдоль тетрагональной оси с в указанном температурном диапазоне напоминает поведение невзаимодействующих магнитных моментов, что усиливает магнитокалорический эффект до максимально возможного уровня идеального парамагнетика. Полученные результаты могут быть описаны в рамках теории молекулярного поля с учетом анизотропии температуры Кюри–Вейса. Сравнение с материалами, используемыми для адиабатического размагничивания, показывает значительное преимущество монокристалла LiGdF4 в диапазоне гелиевых температур (1–4 К) в умеренных магнитных полях, что открывает перспективы для практического применения».

Полученные научным коллективом данные представлены в статье, опубликованной в Journal of Magnetism and Magnetic Material и свидетельствуют о том, что кристалл LiGdF4 является одним из лучших материалов для адиабатического размагничивания в пределах 1–10 Кельвин.

«Его использование потенциально возможно в каскадных установках адиабатического размагничивания. Высокотемпературная стадия работает при комнатной температуре, а низкотемпературная оперирует на сверхнизких температурах», – уточнила Романова.

Монокристалл LiGdF4 может найти применение при создании квантовых компьютеров, лазеров и космических инфракрасных телескопов.