8.0 Охлаждение кристаллизацией жидкого 3Не: охлаждение с помощью эффекта Померанчука

Затвердевание вещества со скоростью n обычно приводит к выделению тепла согласно

 

потому что энтропия жидкости обычно больше энтропии кристалла, когда жидкое состояние является состоянием с меньшим порядком, чем твердое.

В 1950 г. русский физик И. Померанчук предсказал, что для 3Не на кривой плавления ниже примерно 0,3 К энтропия жидкой фазы меньше энтропии твердой фазы (это означает, что жидкая фаза более упорядочена), и поэтому адиабатическая кристаллизация 3Не вдоль кривой плавления должна вызывать охлаждение. В течение некоторого времени это привлекательное утверждение не реализовывалось. Физики опасались экспериментальных проблем, которые могли возникнуть из-за требуемой низкой стартовой температуры и возможного фрикционного нагрева в процессе кристаллизации 3Не. Однако в 1965 г. русский физик Ю. Ануфриев использовал идею Померанчука и, действительно, добился понижения температуры от 50 мК (которую он получил с помощью парамагнитного охлаждения; см. гл. 9) до конечной температуры около 18 мК [8.1].; Возможно, в его эксперименте температура была несколько ниже, но используемая термометрическая методика не подходила для достоверных измерений более низких температур. В конце 70-х годов несколько американских групп, в частности Джонсон, Уитли и их сотр., начали эксперименты по «охлаждению Померанчука» и получили конечные температуры 2 ÷ 3 мК (см. рис. 8.6, приведенный ниже) [8.2,3].

Данный метод охлаждения имел большое значение в 70-е годы. Сейчас он менее важен, потому что выше нескольких милликельвинов этот «одноразовый метод» не имеет преимуществ по сравнению с непрерывно действующими рефрижераторами растворения, а при более низких температурах более мощным является ядерное размагничивание (гл. 10). Тем не менее, я рассмотрю здесь метод охлаждения по Померанчуку в связи со следующими причинами:

а) Метод был — как уже упоминалось — важным в 1970-е годы, поскольку он обеспечил необходимые экспериментальные условия для обнаружения сверхтекучих фазовых переходов в жидком 3Не ниже
2,5 мК [8.4,5] и ядерного антиферромагнитного фазового перехода в твердом 3Не при 1 мК [8.6]; оба эксперимента были выполнены в Корнеллском университете.

б) Этот метод охлаждения дает интересную возможность проникновения в некоторые важные свойства вещества, в частности жидкого и твердого 3Не, и поэтому обсуждается в последующем.