МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ метод получения
темп-р ниже 1 К путём адиабатического размагничивания парамагнитных веществ.
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,ЗК (др. методом является растворение жидкого гелия ³Не
в жидком ⁴Не).

Для М. о, применяют соли редкоземельных
элементов (напр., сульфат гадолиния), хромокалиевые, железоаммониевые,
хромометиламмониевые квасцы и ряд др. парамагнитных веществ. Кристаллич.
решётка этих веществ содержит ионы Fe, Cr, Gd с недостроенными электронными
оболочками и отличным от нуля собственным магнитным моментом {спином).
Парамагнитные
ионы разделены в кристаллич. решётке большим числом немагнитных атомов.
Это приводит к тому, что магнитное взаимодействие ионов оказывается слабым:
даже при низких темп-pax, когда тепловое движение значительно ослаблено,
силы взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных
спинов. В методе М. о. применяется достаточно сильное ( неск. кэ) внешнее
магнитное поле, к-рое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетик.
При выключении внешнего поля (размагничивании парамагнетика) спины под
действием теплового движения атомов (ионов) кристаллич. решётки вновь приобретают
хаотич. ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в
условиях теплоизоляции), то темп-pa парамагнетика понижается (см. Магнетокалорический
эффект).
Рис. 1. Энтропийная диаграмма процесса
магнитного охлаждения (S - энтропия, Т - темп-pa). Кривая S- изменение энтропии рабочего вещества с темп-рой без магнитного поля;
S- энтропия кристаллич. решётки (S3): Тконечная темп-ра в цикле магнитного охлаждения.

Процесс М. о. принято изображать на термодинамич.
диаграмме в координатах темп-pa Т-энтропия S (рис. 1). Получение
низких темп-р связано с достижением состояний, в к-рых вещество обладает
малыми значениями энтропии, В энтропию кристаллич. парамагнетика,
характеризующую неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые
колебания атомов кристаллич. решётки ("тепловой беспорядок") и разориентированность
спинов ("магнитный беспорядок"). При Т -> 0 энтропия решётки S
убывает быстрее энтропии системы спинов S, так что
S
при темп-рах Т < 1К становится исчезающе малой по сравнению с
S
В этих условиях возникает возможность осуществить М. о.

Цикл М. о. (рис. 1) состоит из 2 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 1-й стадии М. о. Намагничивание сопровождается выделением
теплоты и уменьшением энтропии до значения SH. На 2-й стадии М. о. тепловое
движение, разрушая упорядоченность спинов, приводит к увеличению S
Однако в процессе адиабатич. размагничивания энтропия парамагнетика в целом
не меняется. Увеличение S компенсируется уменьшением
Sт.
е. охлаждением парамагнетика.

Взаимодействие спинов между собой и с кристаллич.
решёткой (спин-решёточное взаимодействие) определяет темп-ру, при к-рой
начинается резкий спад кривой S при Т -> 0
и становится возможным М. о. Чем слабее взаимодействие спинов, тем более
низкие темп-ры можно получить методом М. о. Парамагнитные соли, применяемые
для М о., позволяют достичь темп-р 10^-3К.

Значительно более низких темп-р удалось
достигнуть, используя парамагнетизм уже не атомов (ионов), а атомных ядер.
Магнитные моменты ядер примерно в тысячу раз меньше спиновых магнитных
моментов электронов, определяющих моменты парамагнитных ионов. Поэтому
взаимодействие ядерных магнитных моментов значительно слабее взаимодействия
моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных магнитных
моментов даже при Т = 1 К требуются сильные магнитные поля ( 10⁷э).
Практически
применяют поля 10⁵э, но тогда необходимы более низкие темп-ры
( 0,01 К). При исходной темп-ре 0,01 К адиабатич размагничиванием системы
ядерных 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
ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и кристаллич.
решётка остаются после размагничивания при исходной темп-ре 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 темп-ры (10^-2К
и ниже) методами магнитной термометрии. Практически М. о. осуществляют
следующим способом (рис.2,а). Блок парамагнитной соли С помещается на подвесках
из материала с малым коэфф. теплопроводности внутри камеры 1, к-рая погружена
в криостат 2 с жидким гелием ⁴Не. Откачкой паров гелия
темп-pa в криостате поддерживается на уровне 1,0-1,2 К (применение жидкого
³Не
позволяет снизить исходную темп-ру до 0,ЗК). Теплота, выделяющаяся в соли
во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющим камеру
1. Перед выключением магнитного поля газ из камеры 1 откачивают через кран
4
и
т. о. блок соли С теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания
темп-pa соли понижается и может достигнуть неск. тысячных долей градуса.
Запрессовывая в блок соли к.-л. вещество или соединяя вещество с блоком
соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество 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 К, 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 вещества, теплопроводность
к-рой 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 (напр., меди), для
намагничивания к-рого применяется поле напряжённостью в неск. десятков
кэ. М. о. широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого
гелия (сверхтекучести
и др.), квантовых явлений в твёрдых телах
(напр., сверхпроводимости),
явлений ядерной физики и т. д.
Рис. 2. Схемы установок для магнитного
охлаждения: а - одноступенчатого (N, 5 - полюсы электромагнита), 6 - двухступенчатого.

Лит.: В о н с о в с к и и С. В.,
Магнетизм, М., 1971, с. 368-382; физика низких температур, под общ. ред.
А. И. Шальни-кова, пер. с англ., М., 1959, с. 421-610; Мендельсон
К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Амблер Е. и Хадсон
Р. П., Магнитное охлаждение, "Успехи физических наук", 1959, т. 67, в.
3. А. Б. Фрадков.