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フラストレートした磁性体による極低温冷却

Frustrated magnet for ADR to milli-Kelvin temperatures

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.*

断熱消磁冷却では、磁気モーメントの揺らぎによるエントロピーが周囲の熱を吸収する。しかし、低温では、磁気モーメントが磁気相互作用のエネルギースケール(J )に対応する温度において秩序することでエントロピーを消失し、到達温度に限界があった。我々は、Ybが三角格子を組むKBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$という物質で、本来の限界であるJ以下の温度にも冷却できることを示した。ほぼ理想的な断熱状態における冷却実験により、温度2Kで磁場5Tから0Tまで掃引すると、帯磁率から見積もられたワイス温度の-60mKより遥かに低い22mKまで到達した。これはフラストレーションによる磁気秩序の抑制によって、エントロピーが低温でも大きな値を保つためである。通常は、磁気モーメントの体積密度が低くなると、モーメント同士の距離が大きくなり、Jが小さくなる。このため、モーメントの体積密度小さくなると到達温度は低くなる。本物質では、フラストレーションの効果のため、従来の冷却材である常磁性塩と比べると、磁気モーメント密度が高いわりに低い到達温度を実現している。このような高密度なモーメントは、体積当たりの高い熱吸収量をもたらす。また、常磁性塩は水分子を多く含むため、潮解,風解といった劣化を起こす問題もあったが、本研究で用いたKBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$は水分子を含まないため、空気中で安定である。本物質は、到達温度、空気中での安定性、体積当たりの磁気モーメント密度の高さ、という全てを兼ね備えた理想的な冷却材である。

In adiabatic demagnetization cooling, the entropy due to the fluctuation of the magnetic moment absorbs the ambient heat. However, at low temperatures, the entropy disappeared due to the ordering of the magnetic moment at the temperature corresponding to the energy scale (J) of the magnetic interaction, and the final temperature was limited. We have shown that a substance called KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$ in which Yb forms a triangular lattice can be cooled to a temperature below J, which is the original limit. In a cooling experiment in a nearly ideal adiabatic state, sweeping from a magnetic field of 5T to 0T at a temperature of 2 K reached 22 mK, well below the Wyeth temperature of -60 mK estimated from magnetic susceptibility. This is because the entropy maintains a large value even at low temperatures due to the suppression of magnetic order due to frustration. Normally, as the volume density of the magnetic moment decreases, the distance between the moments increases and J decreases. Therefore, the final temperature decreases as the volume density of the moment decreases. Due to the effect of frustration, this substance achieves a lower final temperature despite its higher magnetic moment density than the conventional paramagnetic salt, which is a cooling material. Such a high density moment results in a high amount of heat absorption per volume. In addition, paramagnetic salts contain many water molecules, which causes deterioration such as deliquescent and efflorescence. However, KBaYb(BO$$_{3}$$)$$_{2}$$ used in this study is stable in air because it does not contain water molecules. be. This substance is an ideal cooling material that has all of the final temperature, stability in air, and high magnetic moment density per volume.

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