Магнитное охлаждение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитное охлаждение

Магнитное охлаждение - метод получения низких и сверхнизких температур путём адиабатич. размагничивания парамагн. веществ, предложенный П. Дебаем и У. Джиоком (P. Debye, W. Giauque, 1926). Ранее этот метод широко использовался для получения температур от 1 до 0,01К с применением парамагн. солей, Для достижения температур этого диапазона используют в основном криостаты растворения ³Не в ⁴Не (см. Криостат), но своё значение метод М. о. сохранил для ванфлековских парамагнетиков (см. Ванфлековский парамагнетизм)и ядерных парамагн. систем, с использованием к-рых удаётся получать температуры милли-, микро- и даже нанокельвинового диапазона.

Для примера рассмотрим процесс ядерного размагничивания меди. Существует два стабильных изотопа меди: ⁶³Сu (69,04%) и ⁶⁵Сu (30,96%). Оба изотопа имеют ядерный спин I=3/2, величина g-фактора меди с учётом вклада изотопов

. При температурах

энтропия S меди определяется ориентац. степенями свободы ядерных магн. моментов, т. к. электронные и фононные степени свободы при столь низких температурах практически отсутствуют ("вымерзли"). Энтропия моля меди описывается ф-лой

где

- молярная ядерная константа Кюри,

А*м² - ядерный магнетон ,

- магнитная постоянная, R - газовая постоянная, N_A - Авогадро постоянная, В - внеш. магн. поле, b - эффективное поле, наводимое на ядре меди соседними ядрами. Температурные зависимости энтропии меди, помещённой в различные внеш. магн. поля, показаны на рис.

Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения системы ядер меди с I = 3/2. . Кривые линии - зависимости энтропии S от температуры Т в магнитных полях с индукцией В, равной 8 Тл, 50 мТл и 0,3 мТл.

Процесс ядерного размагничивания меди осуществляют поэтапно. Первоначально медь охлаждают в сильном магн. поле (до точки Б на рис.). При этом внеш. холодильник, к-рым обычно является криостат растворения, отводит от меди тепло. Затем проводят процесс адиабатич. размагничивания (Б-В на рис.), к-рый идёт с сохранением энтропии меди. Скорость этого процесса обычно выбирается такой, чтобы тепловые потери за счёт токов Фуко были пренебрежимо малы. Конечная темп-pa Т_к подсистемы ядер меди определяется значениями начального и конечного полей размагничивания (B_H и В_к)и без учёта тепловых потерь во время размагничивания равна

Ядерная теплоёмкость С меди после размагничивания также зависит от величины конечного поля

После размагничивания подсистема ядер может быть использована в качестве хладагента для охлаждения других систем (процесс ВГ), а затем медь снова намагничивают (процесс ГА). На рис. проиллюстрирован также эксперимент по глубокому охлаждению ядер меди (Б-Д), в к-ром удаётся получить температуру ядер 10 нК.

Практич. применение метода М. о. ограничено относительно плохим контактом магн. подсистемы с др. подсистемами вещества. В результате при охлаждении подсистемы ядер меди до К электроны проводимости остаются охлаждёнными лишь до , а жидкий гелий удаётся охладить только до (из-за Капицы скачка температуры). С др. стороны, количество теплоты, к-рое может поглотить система ядерных спинов, тем меньше, чем ниже темп-pa. Поэтому при использовании ядерного размагничивания в качестве метода охлаждения температуру подсистемы ядер обычно поддерживают близкой к температуре охлаждаемых образцов.

Одной из разновидностей метода М. о. является т. н. метод охлаждения ядер во вращающейся системе координат. Метод эффективен, когда тепловой контакт подсистемы ядер (спиновой ядерной системы) с др. подсистемами вещества пренебрежимо мал. В этом методе на спиновую систему непрерывно воздействуют радиочастотным полем, к-рое можно рассматривать как стационарное, если для спинов ввести вращающуюся с частотой поля систему координат. При переходе во вращающуюся систему координат к внеш. магн. полю В необходим добавить эффективное поле - частота, - магнитомеханическое отношение ).Поэтому, изменяя частоту радиочастотного поля , удаётся изменять эффективное поле и проводить процесс ядерного размагничивания. С использованием этого метода удалось охладить систему ядер фтора до К п наблюдать процесс магн. упорядочения этих ядер.

Литература по магнитному охлаждению

Гольдман М. Спиновая температура и ЯМР в твердых телах, пер. с англ., М., 1972;
Лоунасмаа О. В. Принципы и методы получения температуры ниже 1 К, пер. с англ.. М.. 1977.

Ю. М. Бунъков

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира