Адиабатное размагничивание

Адиабатное размагничивание, метод получения температур ниже 0,7 K.

Для получения низких температур обычно используется cжиженый газ. Снижая давление над свободной поверхностью жидкости, можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки (63 K), откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K, откачкой паров гелия можно добиться (при очень хороших условиях проведения эксперимента) температуры около 0,7 K.

В 1926 году Джиок и Дебай независимо друг от друга показали, что у парамагнитных веществ при достаточно низких температурах величина магнетокалорического эффекта должна быть большой, и что этот эффект можно использовать для получения низких температур. В первых экспериментах Джикока и Мак-Дугалла в 1933 г. была достигнута температура 0,25 K.

Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K.

Образец из парамагнитной соли подвешивается на нити в трубке, заполненной газообразным гелием под небольшим давлением. Газообразный гелий обеспечивает контакт с ванной жидкого гелия, охлаждаемой испарением жидкости под пониженным давлением. Во время работы в ванне поддерживается возможно более низкое давление, обычно соответствующее температуре ~1 K. За счет теплопроводности газа парамагнитная соль охлаждается до температуры гелиевой ванны. Затем включается магнитное поле.

В процессе намагничивания соль нагревается. Ориентирование магнитных ионов вдоль магнитного поля уменьшает энтропию. Тепло от соли отводится в гелиевую ванну, и температура соли снова становится равной 1 K.

Далее газ, который окружает образец и находится с ним в тепловом контакте, откачивается и после этого производится выключение магнитного поля. В процессе адиабатического размагничивания энтропия и энергия магнитных ионов частично восстанавливается за счет энергии решётки, и температура соли заметно понижается.

Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, то есть соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами. Взаимодействие между магнитными ионами в этом случае оказывается очень слабым. Например, в хромо-калиевых квасцах каждый магнитный атом хрома окружён 47 немагнитными соседями.