МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

       

метод получения темп-р ниже 1 К путём адиабатич. размагничивания парамагн. в-в. Предложен П. Дебаем и амер. физиком У. Джиоком (1926); впервые осуществлён в 1933. М. о.— один из двух практически применяемых методов получения темп-р ниже 0,3 К (другим методом явл. растворение жидкого гелия 3Не в жидком 4Не).

Для М. о. применяют соли редкоземельных элементов (напр., сульфат гадолиния), хромокалиевые, железоаммониевые, хромометиламмониевые квасцы и ряд др. парамагн. в-в. Крист. решётка этих в-в содержит парамагн. ионы Fe, Cr, Gd, к-рые разделены в крист. решётке большим числом немагн. ионов и поэтому взаимодействуют между собой слабо: даже при низких темп-pax, когда тепловое движение значительно ослаблено, силы магн. вз-ствия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных спинов. В методе М. о. применяется достаточно сильное (= неск. десятков кЭ) внеш. магн. поле, к-рое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетик. При выключении внеш. поля (размагничивании парамагнетика) спины под действием теплового движения атомов (ионов) крист. решётки вновь приобретают хаотич. ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в условиях теплоизоляции), то темп-ра парамагнетика понижается (см. МАГНЕТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ).

Процесс М. о. принято изображать на термодинамич. диаграмме в координатах: темп-pa Т — энтропия S (рис. 1).

Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса магн. охлаждения (S — энтропия, Т — темп-ра). Кривая S0— изменение энтропии рабочего в-ва с темп-рой без магн. поля; SH— изменение энтропии в-ва в поле напряжённостью Н; Sреш — энтропия кристаллич. <решётки (Sреш=T3); Tкон — конечная темп-ра в цикле магн. охлаждения.

Получение низких темп-р связано с достижением состояний, в к-рых в-во обладает малыми значениями энтропии. В энтропию кристаллич. парамагнетика, характеризующую неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые колебания атомов крист. решётки («тепловой беспорядок») и разориентированность спинов («магнитный беспорядок»). При Т ®0 энтропия решётки Sреш убывает быстрее энтропии системы спинов Sмагн, так что Sреш при темп-рах Т ?1 К становится исчезающе малой по сравнению с Sмагн. В этих условиях возникает возможность осуществить М. о.

Цикл М. о. (рис. 1) состоит из двух стадий:

1) изотермич. намагничивания линия АБ) и

2) адиабатич. размагничивания парамагнетика (линия БВ).

Перед намагничиванием темп-ру парамагнетика при помощи жидкого гелия понижают до Т=1 К и поддерживают её постоянной на протяжении всей первой стадии М. о. Намагничивание сопровождается выделением теплоты и уменьшением энтропии до значения SН. На второй стадии I. о. в процессе адиабатич. размагничивания энтропия парамагнетика остаётся постоянной и его темп-pa понижается (линия БВ).

Вз-ствие спинов между собой и с крист. решёткой определяет темп-ру, при к-рой начинается резкий спад кривой Sмагн при Т ®0. Чем слабее :1-ствие спинов, тем более низкие темп-ры можно получить методом М. о. парамагн. соли позволяют достичь темп-р = 5•10-3 К.

Значительно более низких темп-р удалось достигнуть, используя ядерный парамагнетизм. Вз-ствие ядерных магн. моментов значительно слабее вз-ствия магн. моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных магн. моментов даже при T=1 К требуются очень сильные магн. поля (=107 Э). При применяемых полях = 105 Э намагничивание до насыщения возможно при темп-рах =0,01 К. При исходной темп-ре =0,01 К адиабатич. размагничивание системы яд. спинов (напр., в образце меди) удаётся достигнуть темп-ры 10-5—10-6 К. До этой темп-ры охлаждается не весь образец. Полученная темп-pa (её называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе яд. спинов сразу после размагничивания. Эл-ны же и крист. решётка остаются после размагничивания при исходной темп-ре = 0,01 К. Последующий обмен энергией между системами яд. и электронных спинов (посредством спин-спинового взаимодействия) может привести к кратковрем. охлаждению всего в-ва до T=10-4 К (измеряют такие темп-ры методами магнитной термометрии). Практически М. о. осуществляют следующим способом. Блок парамагн. соли С помещается на подвесках из материала с малым коэфф. теплопроводности внутри камеры 1, к-рая погружена в криостат 2 с жидким 4Не (рис. 2, а).

Рис. 2. Схемы установок для магн. охлаждения: а — одноступенчатого (N, S — полюсы электромагнита), б — двухступенчатого.

Откачкой паров гелия через кран 3 темп-pa в криостате поддерживается на уровне 1,0—1,2 К (применение жидкого 3Не позволяет снизить исходную темп-ру до =0,3 К). Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющим камеру 7. Перед выключением магн. поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и т. о. блок парамагн. соли С теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания темп-pa соли понижается и может достигнуть неск. тысячных К. Запрессовывая в блок соли к.-л. в-во или соединяя в-во с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить в-во практически до тех же темп-р. Наиболее низкие темп-ры получают методом двухступенчатого М. о. (рис. 2, б). Сначала производят адиабатич. размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа K, размагничивают соль D, к-рая при этом охлаждается до темп-ры, существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего в-ва, теплопроводности к-рой в норм. и сверхпроводящем состояниях при T=0,1 К сильно отличаются (во много раз). По схеме рис. 2, б осуществляют и яд. размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом (напр., меди), для намагничивания к-рого применяется поле напряжённостью в неск. десятков кЭ.

М. о. широко используется при изучении низкотемпературных св-в жидкого 3Не (сверхтекучести и др.), квант. явлений в тв. телах (напр., сверхпроводимости), св-в ат. ядер и т. д.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

- метод получения низких и сверхнизких темп-р путём адиабатич. размагничивания парамагн. веществ, предложенный П. Дебаем и У. Джиоком (P. Debye, W. Giauque, 1926). Ранее этот метод широко использовался для получения темп-р от 1 до 0,01 К с применением парамагн. солей, Для достижения темп-р этого диапазона используют в основном криостаты растворения ³ Не в ⁴ Не (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 темп-ры милли-, микро- и даже нанокельвинового диапазона.

Для примера рассмотрим процесс ядерного размагничивания меди. Существует два стабильных изотопа меди: ⁶³ Сu (69,04%) и ⁶⁵ Сu (30,96%). Оба изотопа имеют ядерный спин I=3/2, величина g-фактора меди с учётом вклада изотопов . При темп-рах энтропия S меди определяется ориентац. степенями свободы ядерных магн. моментов, т. к. электронные и фононные степени свободы при столь низких темп-рах практически отсутствуют ("вымерзли"). Энтропия моля меди описывается ф-лой

где - молярная ядерная константа Кюри, X А*м ² - 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 темп-ру 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 темп-ру подсистемы ядер обычно поддерживают близкой к темп-ре 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.

Лит.: 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.