Molekulare Magnetokalorik

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Schnack
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314331397

Magnetische Frustration sowie quantenkritische Punktekönnen die Ursache für sehr große magnetokalorische Effekte beiKelvin- oder sub-Kelvin-Temperaturen sein. Dieser Antrag zieltauf eine systematische Untersuchung frustrierter molekularerKopplungsschemata im Bezug auf die resultierendenmagnetokalorischen Eigenschaften ab. Vielversprechendekleine Spinsysteme mit guten Kühlraten in bestimmten Bereichendes T-B-Diagrammes sollen herausgearbeitet und zur Synthesesowie experimentellen vorgeschlagen werden. Wir werden dabei insbesondere die Herstellungmassiver Grundzustandsentartungen sowie Entartungen vonfeldinduzierten Grundzuständen in den Blick nehmen.Die sich daraus ergebenden Isentropen sollen untersucht werdenund günstige einmalige Kühlprozesse sowie zyklische Prozesse sollendiskutiert sowie zur Nutzung vorgeschlagen werden. Dabei soll auch untersucht werden,dass sich bestimmte Punkte im T-B-Diagramm sowohl durchAdiabaten als auch durch Isothermen verbinden lassen. ZurCharakterisierung der magnetokalorischen Eigenschaften sollendie isotherme Entropieänderung, die adiabatischeTemperaturänderung sowie die bei der tieferen Temperatur einesCarnot-Prozesses absorbierte Wärmemenge als Kennzahlen berechnetwerden. Der zweite Teil dieses Projektes ist der Untersuchung desEinflusses anisotroper Terme des Hamiltonoperators, insbesondere deranisotropen dipolaren Wechselwirkung auf magnetokalorischeEigenschaften gewidmet. Für gewöhnlich hebt die AnisotropieEntartungen von Energieeigenwerten auf und verringert so dieadiabatische Kühlrate. Wir wollen deshalb untersuchen, welcheStrukturen robuster als andere gegenüber solchen Effektensind. Andererseits ermöglicht die Anisotropie die Konstruktionmagnetokalorischer Prozesse, die mittels Umorientiereungfunktionieren. Dieser komplett neuer Ansatz auf dem Gebietder molekularen Kühlmittel soll untersuchtund diskutiert werden.Im dritten und letzten Teilabschnitt des Projektes wollen wirmit der Modellierung und Untersuchung der Dynamik vonKühlprozessen beginnen. Dazu sollen die für einen Carnot-Zyklusnötigen Wärmebäder mittel Lindblad-Formalismus an dasuntersuchte Spinsystem angekoppelt werden. Eine interessanteDetailfrage besteht darin, ob die adiabatischen und isothermenProzesse, die dieselben Zustände verbinden, in einerrealistischen dynamischen Beschreibung äquivalent bleiben. Auf dem Gebiet der Magnetokalorik gibt es verwandteAnstrengungen z.B. bezüglich magnetischer Materialien, die beiRaumtemperatur oder aber zur Gasverflüssigung genutzt werdenkönnen. Dieser Vorschlag zielt nicht auf solche Materialienab, sondern auf Spinsysteme, die magnetokalorische Effekte imKelvin-Bereich zeigen. Er hat auch nicht das Design konkreterMoleküle zum Ziel, sondern das Herausarbeiten vonKopplungsschemata, die z.B. durch Frustrationseffekte zu einererhöhten Zustandsdichte in der Nähe des Grundzustandes und damitzu großen magnetokalorischen Effekten führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Großbritannien, Italien, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Marco Affronte; Dr. Marco Evangelisti; Professor Eric McInnes, Ph.D.; Professorin Dr. Annie Powell; Professor Dr. Johannes Richter; Professor Dr. Wolfgang Wernsdorfer, Ph.D.