Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Магнитное охлаждение

охлаждение (далее М), метод получения температур ниже 1 К путем адиабатического размагничивания парамагнитных веществ. Предложен П. Дебаем и американским физиком У. Джиоком (1926); впервые осуществлен в 1933. М - один из двух практически применяемых методов получения температур ниже 0,3 К (другим методом является растворение жидкого 3 в жидком 4).

  Для М применяют соли редкоземельных элементов (например, сульфат квасцы и ряд других парамагнитных веществ. решетка этих веществ содержит ионы , , с недостроенными электронными оболочками и отличным от нуля собственным моментом (спином). Парамагнитные ионы разделены в решетке большим числом немагнитных Это приводит к тому, что взаимодействие ионов оказывается слабым: даже при низких температурах, когда тепловое движение значительно ослаблено, силы взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных спинов. В методе М применяется достаточно сильное (~ несколько кэ) внешнее поле, которое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетик. При выключении внешнего поля (размагничивании парамагнетика) спины под действием теплового движения (ионов) решетки вновь приобретают хаотическую ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в условиях теплоизоляции), то температура парамагнетика понижается (см. Магнетокалорический эффект).

  Процесс М принято изображать на термодинамической диаграмме в координатах температура Т - энтропия (рис. 1). Получение низких температур связано с достижением состояний, в которых вещество обладает малыми значениями энтропии. В энтропию парамагнетика, характеризующую неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые колебания решетки ("тепловой беспорядок") и разориентированность спинов ("магнитный беспорядок"). При Т ® 0 энтропия решетки peш убывает быстрее энтропии системы спинов магн, так что peш при температурах Т < 1 К становится исчезающе малой по сравнению с магн. В этих условиях возникает возможность осуществить М

  Цикл М (рис. 1) состоит из 2 стадий: 1) изотермического намагничивания (линия АБ) и 2) адиабатического размагничивания парамагнетика (линия БВ). Перед намагничиванием температуру парамагнетика при помощи жидкого понижают до Т ~ 1 К и поддерживают ее постоянной на протяжении всей 1-й стадии М Намагничивание сопровождается выделением теплоты и уменьшением энтропии до значения . На 2-й стадии М тепловое движение, разрушая упорядоченность спинов, приводит к увеличению магн. Однако в процессе адиабатического размагничивания энтропия парамагнетика в целом не меняется. Увеличение магн компенсируется уменьшением peш, то естьМм парамагнетика.

  Взаимодействие спинов между собой и с решеткой (спин-решеточное взаимодействие) определяет температуру, при которой начинается резкий спад кривой магн при Т ® 0 и становится возможным М Чем слабее взаимодействие спинов, тем более низкие температуры можно получить методом М Парамагнитные соли, применяемые для М о., позволяют достичь температур ~ 10-3 К.

  Значительно более низких температур удалось достигнуть, используя парамагнетизм уже не (ионов), а ядер. моменты ядер примерно в тысячу раз меньше спиновых моментов электронов, определяющих моменты парамагнитных ионов. Поэтому взаимодействие ядерных моментов значительно слабее взаимодействия моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных моментов даже при Т = 1 требуются сильные поля (~ 107 э). Практически применяют поля 105 э, но тогда необходимы более низкие температуры (~ 0,01 К). При исходной температуре ~ 0,01 адиабатическим размагничиванием системы ядерных спинов (например, в образце меди) удается достигнуть температуры 10-5-10-6 К. До этой температуры охлаждается не весь образец. Полученная температура (ее называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и решетка остаются после размагничивания при исходной температуре ~ 0,01 К. Последующий обмен энергией между системами ядерных и электронных спинов (посредством спин-спинового взаимодействия) может привести к кратковременному охлаждению всего вещества до Т ~ 10-4 К. Измеряют низкие температуры (~ 10-2 К и ниже) методами магнитной термометрии. Практически М осуществляют следующим способом (рис. 2, а). Блок парамагнитной соли С помещается на подвесках из материала с малым коэффициентом теплопроводности внутри камеры 1, которая погружена в криостат 2 с жидким 4. Откачкой паров температура в криостате поддерживается на уровне 1,0-1,2 К (применение жидкого 3 позволяет снизить исходную температуру до ~ 0,3 К). Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому газом, заполняющим камеру 1. Перед выключением поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и таким образом блок соли С теплоизолируют от жидкого После размагничивания температура соли понижается и может достигнуть нескольких тысячных долей градуса. Запрессовывая в блок соли какое-либо вещество или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких проволочек, можно охладить вещество практически до тех же температур. Наиболее низкие температуры получают методом двухступенчатого М (рис. 2, б). Сначала производят адиабатическое размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, которая при этом охлаждается до температуры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего вещества, теплопроводность которой в нормальном и сверхпроводящем состояниях при Т ~ 0,1 К различается во много раз. По схеме рис. 2, б осуществляют и ядерное размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом (например, меди), для намагничивания которого применяется поле напряженностью в несколько десятков кэ.

  М. о. широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого (сверхтекучести и других), квантовых явлений в твердых телах (например, сверхпроводимости), явлений ядерной физики и т.д.

  Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, с. 368-382; Физика низких температур, под общей редакцией А. И. Шальникова, перевод с английского, М., 1959, с. 421-610; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, перевод с английского, М., 1971; Амблер Е. и Хадсон Р. П., М, "Успехи физических наук",1959, т. 67, в. 3.

  А. Б. Фрадков.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 29.03.2024 16:14:34