[科普中國]-磁冷卻法

磁冷卻法是德拜在1926年提出的，由熱力學可以證明，順磁性固體的溫度在絕熱過程中，隨磁場減弱而下降，因此，可以在等溫過程中進行磁化(即增強磁場)，然后在絕熱過程中退磁(即減弱磁場)，結果使溫發(fā)降低，喬克于1933年實現(xiàn)此法，這樣可使溫度降至1mK。1

概述又稱絕熱去磁，磁熱效應。絕熱去磁是產(chǎn)生1K以下低溫的一個有效方法，即磁冷卻法。這是1926年德拜提出來的。在絕熱過程中順磁固體的溫度隨磁場的減小而下降。

將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內，通過低壓氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫，加上磁場（量級為10^6A/m）使順磁體磁化，磁化過程時放出的熱量由液氦吸收，從而保證磁化過程是等溫的。順磁體磁化后，抽出低壓氦氣而使順磁體絕熱，然后準靜態(tài)地使磁場減小到很小的值（一般為零）。

利用固體中的順磁離子的絕熱去磁效應可以產(chǎn)生1K以下至mK量級的低溫。例如從0.5K出發(fā)，使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當溫度降到mK量級時，順磁離子磁矩間的相互作用便不能忽略。磁矩間的相互作用相當于產(chǎn)生一個等效的磁場（大小約10^4~10^3A/m），使磁矩的分布有序化，這方法便不再有效。

核磁矩的大小約為原子磁矩的1/2000。因此核磁矩間的相互作用較順磁離子間的相互作用要弱的多，利用核絕熱去磁可以獲得更低的溫度

原理為了能夠獲得更低的，如K數(shù)量級的溫度，必須要利用自發(fā)磁有序溫度更低的核磁矩系統(tǒng)，對順磁物質鹽類的核磁矩施行絕熱去磁。由于原子核的磁矩太小，即使在1—2K的溫度時，因子（μB/kT）的數(shù)值仍然只有K的數(shù)量級。因此在此溫區(qū)內用核磁矩的絕熱去磁法不會產(chǎn)生明顯的降溫效應。一般是先用稀釋致冷機，用原子磁矩的絕熱去磁把順磁鹽類物質的溫度降到K，此時（μB/kT）的數(shù)值已經(jīng)接近1，大多數(shù)核磁矩將沿著外磁場的方向排列，可應用絕熱去磁法使樣品的溫度進一步降低，達到K數(shù)量級的超低溫。PrNi5合金和金屬銅是常用的核絕熱去磁材料，利用PrNi5作第一級，銅作第二級，銅的溫度可降到K。由于不可避免的耦合作用，這樣的超低溫大約只能維持30—90秒，隨后很快地回到原來的狀態(tài)。

退去磁場時，保持順磁物質與外界絕熱至關重要。因為絕熱過程體系熵不能發(fā)生變化，即與磁矩排列有序程度相關的因子μB/kT為常數(shù)，B減小時，溫度T才會相應地下降。此外，在極低溫時，固體材料的熱容極小，很少的漏熱即會使溫度上升很多，在順磁鹽絕熱去磁中，漏熱要減小到約0.1μW。2

應用基于“磁熱效應”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術的一種有希望的替代方法。在有這種效應的材料中，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當在上個世紀90年代后期被發(fā)現(xiàn)時曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質有一個缺點：當在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應的溫度范圍內循環(huán)其磁化時，它會因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是現(xiàn)在，研究人員找到了克服這一問題的一個簡單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質，可在接近室溫的環(huán)境下應用。

本詞條內容貢獻者為:

尹維龍 - 副教授 - 哈爾濱工業(yè)大學