Представьте себе холодильник, в котором нет ни компрессора, ни фреона, ни привычного гудения. Только металл, на который воздействует магнитное поле и он из-за этого вдруг охлаждается. Это магнитокалорический эффект и долгое время он оставался малоизвестным даже среди физиков.

Чтобы понять суть, вспомним школьную физику. Температура есть мера движения частиц. Чем они активнее колеблются, тем горячее вещество.

Внутри магнитных материалов есть ещё и ориентация спинов атомов. В обычных условиях они беспорядочны. Но стоит навести внешнее магнитное поле и они выстраиваются некоторым образом. Если внешнее поле отключить, то упорядоченные спины снова начинают беспорядочно болтаться и в этот момент поглощается энергия, которая уходит на «раскачивание» внутреннего строения. Температура системы понижается. Вот, в общем-то, и всё.

Не всякий металл годится для магнитокалорических экспериментов. Больше всего подходят редкоземельные элементы, например, гадолиний - абсолютный чемпион среди простых веществ. При комнатной температуре он демонстрирует эффект почти в 3 кельвина при умеренном магнитном поле. Есть также сплавы с тербием, диспрозием и железом - это уже «настраиваемые» материалы, где можно точно задать температуру, при которой возникает эффект.

Интерес вызывает и атакатит - редкий минерал, в котором магнитное и кристаллическое поведение хитро переплетается. В 2020-х годах стали появляться синтетические версии атакатитоподобных соединений, обладающих сильным магнитокалорическим откликом при низких температурах. Это может стать основой для квантовых холодильников.

Зачем вообще изобретать новый способ охлаждения? Представьте себе космические миссии, где фреон не заправишь, а каждый грамм массы корабля на вес золота. Было бы очень удобно использовать там такой подход.

Или возьмём квантовые компьютеры. Для сверхпроводимости нужна стабильная температура в доли градуса. Тут пригодится «сухой» магнитный холодильник.

Собственно, вообще логика такого подхода очень интересная и впечатляющая. По сути простой кондиционер можно сделать, опираясь на это явление.

Пока магнитное охлаждение лишь на стадии эксперимента. Эффект у большинства материалов слаб, особенно при обычной температуре. Требуются сильные магнитные поля, а значит и дополнительные энергозатраты. Кроме того, редкоземельные металлы дорогие и мало распространены.

Но как и всё в физике, путь от идеи до технологии долог. Лазеры, квантовые точки, термоэлектрика - всё это тоже начиналось как «игрушка» теоретиков.