9.5 Достоинства парамагнитного охлаждения

два парамагнитных рефрижератора, использованных уитли с сотр.

На рис. 9.3 показаны некоторые типичные устройства для парамагнитного охлаждения, использовавшиеся, главным образом, в 1960-70-е годы до появления рефрижератора растворения; они описаны в [9.1-3,7-14] и в содержащихся там ссылках.

Достоинства парамагнитного охлаждения заключаются в том, что требуемых начальных условий в настоящее время можно весьма легко достичь с помощью простых рефрижераторов растворения и сверхпроводящих магнитов. Кроме того, хладагент может быть также использован и в качестве термометра для определения температуры Т из измерений восприимчивости x соли, если примененить закон Кюри χ = λ / T (разд. 12.8). Однако, парамагнитное охлаждение также имеет и серьезные недостатки. Теплопроводность диэлектрических солей довольно плохая; ее типичное значение 10–4 Вт/(К·см) при 0,1 К. Поэтому в соли трудно достичь теплового равновесия, что приводит к температурным градиентам и большим временам тепловой релаксации в милликельвиновой области температур. Аналогично этому, довольно трудно обеспечить тепловой контакт с солью, и были разработаны специальные конструкции для парамагнитных ступеней охлаждения. По-видимому, наиболее используемой является конструкция, в которой порошок соли прессуется (обычно при давлении 100 бар) вместе с каким-либо "клеем" (или апьезоновая смазка, или масло, или эпоксидная смола); и тонкими Cu или Ag проволочками, равномерно распределенными по таблетке. Другой конец проволочек должен быть заранее приварен к местам, где необходим тепловой контакт (к тепловому ключу, связанному со ступенью предварительного охлаждения, и к металлической пластинке для монтажа экспериментальных ячеек и термометров), см. разд. 12.8. В некоторых случаях необходимо герметизировать таблетку соли, чтобы предотвратить химические изменения (дегидратацию), приводящую к порче. Рекомендуется рассмотреть тепловой путь от спинов к кристаллической решетке соли и далее к металлическим проволочкам и к образцу/термометру, чтобы избежать нежелательных и неприятных сюрпризов [9.2]; эти проблемы, конечно, становятся тем серьезнее, чем ниже температурный диапазон, в котором проводятся эксперименты. И наконец, минимальная температура определяется взаимодействиями электронных магнитных моментов с их окружением и, в конечном счете, спонтанным магнитным упорядочением, и составляет около 2 мК для парамагнитного охлаждения (получена в 1953 г. с помощью ЦМН). Поскольку в настоящее время такие температуры можно достичь также с помощью рефрижераторов растворения, то последний метод непрерывного охлаждения заменил магнитное охлаждение с парамагнитной солью. Для более низких температур, где рефрижераторы растворения становятся неэффективными, известна единственная методика — техника магнитного охлаждения с использованием ядерных магнитных моментов металлов, что будет детально обсуждаться в следующей главе.