Dreiecksgitter Seltenerdborate für Millikelvin adiabatische Entmagnetisierungskühlung

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Gegenwart
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514162746

Die adiabatische Entmagnetisierungskühlung (ADR) ist eine klassische Kühltechnik, von erneuertem Interesse als Alternative zu teurer und aufwendiger 3He/4He Entmischungskühlung. Etablierte kristallwasserhaltige ADR Salze leiden unter chemischer Instabilität, welche aufwendige Behandlung erfordert, um Zersetzung zu vermeiden und guten thermische Kontakt zu ermöglichen. Wir haben kürzlich kristallwasserfreies KBaYb(BO3)2 als exzellente Alternative für die ADR zu unterhalb 20 mK mit hoher Entropiedichte entdeckt. Gesinterte Presslinge mit beigemischtem Silberpulver zur Ermöglichung eines guten thermischen Kontakts sind leicht mechanisch zu verarbeiten und langzeitstabil, selbst bei Erhitzung bis zu 700°C, was auch Ultrahochvakuumanwendungen ermöglicht. KBaYb(BO3)2 gehört zur Familie der Seltenerdborate A+xBa2+yR3+(BO3)3-z (A=Na, K; R=Seltenerdatom) mit perfekter Dreiecksgitteranordnung von magnetischen Momenten, einstellbaren R-Atomabständen und Ordnung/Unordnung der nicht-magnetischen Zwischenschichtatome. Die Auswahl von R erlaubt zwischen Quanten (R=Yb) und klassischen (Gd) Spins zu wählen und niedrigliegende Kristallfeldanregungen im Kramers (Dy) und nicht-Kramers (Tb oder Ho) Fall für die ADR zu nutzen. Unsere explorative Synthese und Tieftemperaturuntersuchung magnetischer Eigenschaften zielt auf die Entwirrung der unterschiedlichen Einflüsse geometrischer Frustration, Quantenfluktuationen, Heisenberg versus dipolarer Kopplung und struktureller Unordnung auf die ADR Eigenschaften. Schließlich werden wir die bestmöglichen ADR Substanzen dieser Materialklasse in Bezug auf die optimale Entropiedichte für verschiedene Zieltemperaturen zwischen 10 und 200 mK identifizieren, wie sie für verschiedenste Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie benötigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Anton Jesche