Магнитное охлаждение

Атомы парамагнитных веществ обладают постоянным магнитным моментом. При отсутствии внешнего магнитного поля в результате теплового движения эти моменты ориентированы хаотично. Количественной мерой такого состояния является энтропия, которая в данном случае называется магнитной энтропией S_М. Согласно принципу Больцмана

S_М = k , (47)

где W_м – термодинамическая вероятность, равная числу способов распределения n атомов парамагнетика по подуровням, на которые расщепляется каждый уровень атома в магнитном поле. При наложении и увеличении магнитного поля вплоть до насыщения все магнитные моменты атомов ориентированы вдоль поля. Магнитная энтропия парамагнетика в этом состоянии обращается в нуль. Если процесс намагничивания парамагнитного образца происходит при постоянной температуре, то уменьшение энтропии на DS вызывает выделение теплоты DQ =T DS. Эта теплота отводится от образца в окружающую среду. В качестве такой среды используют жидкий гелий.

После установления равновесия гелий удаляется и образец оказывается теплоизолированным и подвергается медленному адиабатическому размагничиванию, при котором его магнитная энтропия вновь повышается на DS.

Рис. 17

Такой рост энтропии требует подвода тепла, источником которого являются только тепловые колебания решетки. В результате температура образца понижается (рис. 17). Таким способом удалось достичь температур ниже 0,001 К.

При приближении к абсолютному нулю температур теплоемкость уменьшается до нуля и, следовательно, понижение температуры может быть значительным. Дебай и Джиок предложили применять обратимое адиабатическое размагничивание для понижения температуры образца при приближении к абсолютному нулю. Этот метод стал основным для получения сверхнизких температур.

В качестве парамагнетика используют некоторые парамагнитные соли, например, квасцы, в которые вводят ионы переходных элементов группы железа. Парамагнитная соль помещается в сильное магнитное поле, предварительно охлажденная до гелиевых температур (~ 4,2 К), а затем магнитное поле снимается. Этот метод позволил достичь температур ~ 3×10 ^-3 К.

Если же вместо электронных использовать “ядерные” парамагнетики, у которых парамагнетизм обусловлен ориентацией магнитных моментов атомных ядер, то можно получить температуры ~10 ^-5 К.