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, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира