Магнітне охолоджування , метод здобуття температур нижче 1 До шляхом адіабатичного розмагнічування парамагнітних речовин. Запропонований П. Дебаєм і американським фізиком У. Джіоком (1926); вперше здійснений в 1933. М. о. — один з двох практично вживаних методів здобуття температур нижче 0,3 До (іншим методом є розчинення рідкого гелію 3 He в рідкому 4 He).
Для М. о. застосовують солі рідкоземельних елементів (наприклад, сульфат гадолінія), хромокалієвиє, железоаммонієвиє, хромометіламмонієвиє галун і ряд інших парамагнітних речовин. Кристалічна решітка цих речовин містить іони Fe, Cr, Gd з недобудованими електронними оболонками і відмінним від нуля власним магнітним моментом (спином ) . Парамагнітні іони розділені в кристалічній решітці великим числом немагнітних атомів. Це приводить до того, що магнітна взаємодія іонів виявляється слабкою: навіть при низьких температурах, коли тепловий рух значно ослаблений, сили взаємодії не здатні упорядкувати систему хаотично орієнтованих спинів. У методі М. о. застосовується досить сильне (~ декілька ке ) зовнішнє магнітне поле, яке, упорядковувавши напрям спинів намагнічує парамагнетик. При виключенні зовнішнього поля (розмагнічуванні парамагнетика) спини під дією теплового руху атомів (іонів) кристалічної решітки знов набувають хаотичної орієнтації. Якщо розмагнічування здійснюється адіабатично (в умовах теплоізоляції), то температура парамагнетика знижується (див. Магнетокалорічеський ефект ) .
Процес М. о. прийнято змальовувати на термодинамічній діаграмі в координатах температура Т — ентропія S ( мал. 1 ). Здобуття низьких температур пов'язане з досягненням станів, в яких речовина володіє малими значеннями ентропії . В ентропію кристалічного парамагнетика, що характеризує невпорядкованість його структури, свою долю вносять теплові коливання атомів кристалічної решітки («тепловий безлад») і разорієнтірованность спинів («магнітний безлад»). При Т ® 0 ентропія грат S peш убуває швидше за ентропію системи спинів S магн , так що S peш при температурах Т < 1 До стає зникаюче малою в порівнянні з S магн . У цих умовах виникає можливість здійснити М. о.
Цикл М. о. ( мал. 1 ) складається з 2 стадій: 1) ізотермічного намагнічення (лінія АБ) і 2) адіабатичного розмагнічування парамагнетика (лінія БВ). Перед намагніченням температуру парамагнетика за допомогою рідкого гелію знижують до Т ~ 1 До і підтримують її постійною впродовж всієї 1-ої стадії М. о. Намагнічення супроводиться виділенням теплоти і зменшенням ентропії до значення S H . На 2-ій стадії М. о. тепловий рух, руйнуючи впорядкованість спинів, приводить до збільшення S магн . Проте в процесі адіабатичного розмагнічування ентропія парамагнетика в цілому не міняється. Збільшення S магн компенсується зменшенням S peш , тобто охолоджуванням парамагнетика.
Взаємодія спинів між собою і з кристалічною решіткою (спін-граткове взаємодія) визначає температуру, при якій починається різкий спад кривої S магн при Т ® 0 і стає можливим М. о. Чим слабкіше взаємодія спинів, тим більше низькі температури можна отримати методом М. о. Парамагнітні солі, вживані для М-коду о., дозволяють досягти температур ~ 10 -3 До.
Значно нижчих температур удалося досягти, використовуючи парамагнетизм вже не атомів (іонів), а атомних ядер. Магнітні моменти ядер приблизно в тисячу разів менше магнітних моментів спинів електронів, що визначають моменти парамагнітних іонів. Тому взаємодія ядерних магнітних моментів значно слабкіша за взаємодію моментів іонів. Для намагнічення до насичення системи ядерних магнітних моментів навіть при Т = 1 K потрібні сильні магнітні поля (~ 10 7 е ). Практично застосовують поля 10 5 е але тоді необхідні нижчі температури (~ 0,01 До). При вихідній температурі ~ 0,01 K адіабатичним розмагнічуванням системи ядерних спинів (наприклад, в зразку міді) удається досягти температури 10 -5 —10 -6 К. До цієї температури охолоджується не весь зразок. Отримана температура (її називають спином) характеризує інтенсивність теплового руху в системі ядерних спинів відразу після розмагнічування. Електрони ж і кристалічна грати залишаються після розмагнічування при вихідній температурі ~ 0,01 К. Последующий обмін енергією між системами ядерних і електронних спинів (за допомогою спін-спінової взаємодії ) може привести до короткочасного охолоджування всієї речовини до Т ~ 10 -4 К. Ізмеряют низькі температури (~ 10 -2 До і нижче) методами магнітній термометрії . Практично М. о. здійснюють наступним способом ( мал. 2 , а). Блок парамагнітної солі З поміщається на підвісках з матеріалу з малим коефіцієнтом теплопровідності усередині камери 1, яка занурена в кріостат 2 з рідким гелієм 4 He. Відкачуванням пари гелію температура в кріостате підтримується на рівні 1,0—1,2 До (вживання рідкого 3 He дозволяє понизити вихідну температуру ~ 0,3 До). Теплота, що виділяється в солі під час намагнічення, відводиться до рідкого гелію газом, що заповнює камеру 1. Перед виключенням магнітного поля газ з камери 1 відкачують через кран 4 і таким чином блок солі З теплоїзоліруют від рідкого гелію. Після розмагнічування температура солі знижується і може досягти декількох тисячних доль градуса. Запресовувавши в блок соли яку-небудь речовину або сполучаючи речовина з блоком солі пучком тонкої мідної тяганини, можна охолодити речовину практично до тих же температур. Найбільш низькі температури отримують методом двоступінчатого М. о. ( мал. 2 , би) . Спочатку виробляють адіабатичне розмагнічування солі З і через тепловий ключ (теплопроводящую перемичку) До охолоджують заздалегідь намагнічену сіль D. Потім, після розмикання ключа До, розмагнічують сіль D, яка при цьому охолоджується до температури істотно нижчою, ніж була отримана в блоці солі С. Тепловим ключем в установках описаного типа зазвичай служить зволікання з надпровідної речовини, теплопровідність якого в нормальному і надпровідному станах при Т ~ 0,1 До розрізняється у багато разів. За схемою мал. 2 , би здійснюють і ядерне розмагнічування з тією відмінністю, що сіль D замінюють зразком (наприклад, мідь), для намагнічення якого застосовується поле напруженістю в декілька десятків ке.
М. о. широко застосовується при вивченні низькотемпературних властивостей рідкого гелію (надтекучість і інших), квантових явищ в твердих тілах (наприклад, надпровідності ) , явищ ядерної фізики і т.д.
Літ.: Вонсовський С. Ст, Магнетизм, М., 1971, с. 368—382; Фізика низьких температур, під загальною редакцією А. І. Шальникова, переклад з англійського, М., 1959, с. 421—610; Мендельсон До., На шляху до абсолютного нуля, переклад з англійського, М., 1971; Амблер Е. і Хадсон Р. П., Магнітне охолоджування, «Успіхи фізичних наук»,1959, т. 67, ст 3.
