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Frustrated magnet for adiabatic demagnetization cooling to milli-Kelvin temperatures

フラストレートした磁性体を用いたミリケルビン温度への断熱消磁冷却

常盤 欣文; Bachus, S.*; Kavita, K.*; Jesche, A.*; Tsirlin, A. A.*; Gegenwart, P.*

Tokiwa, Yoshifumi; Bachus, S.*; Kavita, K.*; Jesche, A.*; Tsirlin, A. A.*; Gegenwart, P.*

低温量子コヒーレンスは量子コンピューターの操作と超流動/超伝導などのエキゾチックな量子状態の形成を可能にするため、非常に低い温度の生成はアプリケーションと基礎研究にとって非常に重要である。ミリケルビン温度に到達するための主要な技術の1つは、断熱消磁冷凍である。この方法は、常磁性塩のほとんど相互作用しない磁気モーメントを使用し、距離が大きいとモーメント間の相互作用が抑制される。大きな空間的分離は水分子によって促進されるが、材料の安定性が低下するという欠点がある。ここでは、水を含まない欲求不満の磁石KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$が冷凍に理想的であり、少なくとも22mKを達成できることを示す。KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$は、従来の冷媒と比較して、高温・超高真空下でも劣化しない。さらに、その磁気的フラストレーションと構造的ランダム性により、従来の冷媒の基本温度の主な制限要因である磁気相互作用のエネルギースケールよりも数倍低い温度まで冷却することができる。

Generation of very low temperatures has been crucially important for applications and fundamental research, as low-temperature quantum coherence enables operation of quantum computers and formation of exotic quantum states, such as superfluidity/superconductivity. One of the major techniques to reach milli-Kelvin temperatures is adiabatic demagnetization refrigeration. This method uses almost non-interacting magnetic moments of paramagnetic salts where large distances suppress interactions between the moments. The large spatial separations are facilitated by water molecules, with a drawback of reduced stability of the material. Here, we show that the water-free frustrated magnet KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$ can be ideal for refrigeration, achieving at least 22 mK. Compared to conventional refrigerants, KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$ does not degrade even under high temperatures and ultra-high vacuum. Further, its magnetic frustration and structural randomness enable cooling to temperatures several times lower than the energy scale of magnetic interactions, which is the main limiting factor for the base temperature of conventional refrigerants.

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