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低溫專題 | 如何獲得低溫(三)

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大家好,先前我們掌握了如何通過相變制冷、氣體等焓膨脹制冷、絕熱放氣制冷、渦流制冷、溫差熱電制冷和3He-4He氦稀釋制冷6種方式來獲得低溫。這期會向大家展示如何通過絕熱退磁制冷和激光制冷的2種方式獲得低溫。


7. 絕熱退磁制冷

利用順磁性物質使溫度降低到mK及更低溫度的一種技術。絕熱退磁過程只能在極低溫下實現,因為大于2K或3K時存在聲子熱效應。在低溫和強磁場B的作用下,順磁物質原子或原子核的磁矩μ將沿磁場方向整齊排列;若再對處于這種狀態的順磁質使用絕熱去磁技術,就可使它們降到接近絕對零度的極低溫度。

通常,先用液氦將一些具有順磁性的鹽類物質如硝酸鈰鎂、鉻鉀礬等含有磁性離子的鹽類,在強磁場下使其降到1K或更低。此時原子磁矩的因子(μB/kT)將比1更大,原子磁矩將大部分沿磁場方向整齊排列,物質的磁化接近飽和。隨后,再使這些物質與外界絕熱,并退去外加磁場,順磁鹽類物質的溫度即會有顯著下降。應用這種原子磁矩的絕熱去磁法,可得到10-3K數量級的低溫。具體的數值受順磁鹽自發磁有序溫度的限制。對硝酸鈰鎂,能得到的最低溫度約為1.5mK。

為了能夠獲得更低的,如10-6K數量級的溫度,必須要利用自發磁有序溫度更低的核磁矩系統。由于原子核的磁矩太小,即使在1K的溫度時,因子(μB/kT)的數值仍然只有10-3K的數量級。一般是先用稀釋制冷機,將溫度降到10-3K,但若先用原子磁矩的絕熱去磁把順磁鹽類物質的溫度降到10-3K,此時(μB/kT)的數值已經接近1,大多數核磁矩將沿著外磁場的方向排列,可應用核磁矩的絕熱去磁法使樣品的溫度進一步降低。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10-6K。

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生變化,即,與磁矩排列有序程度相關的因子μB/kT為常數,B減小時,溫度T才會相應地下降。此外,在極低溫下,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。對于核絕熱去磁,最大的漏熱約為1nW。



【圖1】絕熱退磁制冷



 8.  激光制冷

一般來說,激光制冷的物質處于蒸汽團(現在也有一些前沿小組能把氟化物等固體制冷,但都是出于真空狀態)。在蒸汽狀態下,溫度是指分子運動速度快慢,如果分子/原子蒸汽團的運動速度為0,則達到絕對零度.所以激光致冷的物理意義即把分子/原子蒸汽團的運動速度降低。(kB為玻爾茲曼常數,T是熱力學溫度,等式左邊為分子平均動能) 




(1)當原子靜止不動時,由于激光的頻率稍低,原子無法吸收光子,無影響。

(2)當原子與激光運動方向相同時,由于多普勒效應,原子感受到的頻率紅移,更加無法吸收光子,也無影響。

(3)當原子與激光相向運動時,由于多普勒效應,原子吸收光子,速度減慢,再向任意方向輻射一個光子,經過這個過程后原子速度減慢。

這個過程有兩個結論:原子只能吸收相向運動的光子,而相同方向運動的光子無法被吸收,即無法被加熱。在最終向任意方向釋放光子后會有反沖動量,因此使用多普勒冷卻會存在反沖極限。

通過對常見制冷方法的學習可以看到要達到不同的溫區,可以采用不同的制冷方法。



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