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.