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大家好,先前我们掌握了如何通过相变制冷、气体等焓膨胀制冷、绝热放气制冷、涡流制冷、温差热电制冷和3he-4he氦稀释制冷6种方式来获得低温。这期会向大家展示如何通过绝热退磁制冷和激光制冷的2种方式获得低温。


7. 绝热退磁制冷

利用顺磁性物质使温度降低到mk及更低温度的一种技术。绝热退磁过程只能在极低温下实现,因为大于2k或3k时存在声子热效应。在低温和强磁场b的作用下,顺磁物质原子或原子核的磁矩µ将沿磁场方向整齐排列;若再对处于这种状态的顺磁质使用绝热去磁技术,就可使它们降到接近绝对零度的极低温度。

通常,先用液氦将一些具有顺磁性的盐类物质如硝酸铈镁、铬钾矾等含有磁性离子的盐类,在强磁场下使其降到1k或更低。此时原子磁矩的因子(µb/kt)将比1更大,原子磁矩将大部分沿磁场方向整齐排列,物质的磁化接近饱和。随后,再使这些物质与外界绝热,并退去外加磁场,顺磁盐类物质的温度即会有显著下降。应用这种原子磁矩的绝热去磁法,可得到10-3k数量级的低温。具体的数值受顺磁盐自发磁有序温度的限制。对硝酸铈镁,能得到的最低温度约为1.5mk。

为了能够获得更低的,如10-6k数量级的温度,必须要利用自发磁有序温度更低的核磁矩系统。由于原子核的磁矩太小,即使在1k的温度时,因子(µb/kt)的数值仍然只有10-3k的数量级。一般是先用稀释制冷机,将温度降到10-3k,但若先用原子磁矩的绝热去磁把顺磁盐类物质的温度降到10-3k,此时(µb/kt)的数值已经接近1,大多数核磁矩将沿着外磁场的方向排列,可应用核磁矩的绝热去磁法使样品的温度进一步降低。prni5合金和金属铜是常用的核绝热去磁材料,利用prni5作第一级,铜作第二级,铜的温度可降到10-6k。

退去磁场时,保持顺磁物质与外界绝热至关重要。因为绝热过程体系熵不能发生变化,即,与磁矩排列有序程度相关的因子µb/kt为常数,b减小时,温度t才会相应地下降。此外,在极低温下,固体材料的热容极小,很少的漏热即会使温度上升很多,在顺磁盐绝热去磁中,漏热要减小到约0.1µw。对于核绝热去磁,最大的漏热约为1nw。



【图1】绝热退磁制冷



 8.  激光制冷

一般来说,激光制冷的物质处于蒸汽团(现在也有一些前沿小组能把氟化物等固体制冷,但都是出于真空状态)。在蒸汽状态下,温度是指分子运动速度快慢,如果分子/原子蒸汽团的运动速度为0,则达到绝对零度.所以激光致冷的物理意义即把分子/原子蒸汽团的运动速度降低。(kb为玻尔兹曼常数,t是热力学温度,等式左边为分子平均动能) 




(1)当原子静止不动时,由于激光的频率稍低,原子无法吸收光子,无影响。

(2)当原子与激光运动方向相同时,由于多普勒效应,原子感受到的频率红移,更加无法吸收光子,也无影响。

(3)当原子与激光相向运动时,由于多普勒效应,原子吸收光子,速度减慢,再向任意方向辐射一个光子,经过这个过程后原子速度减慢。

这个过程有两个结论:原子只能吸收相向运动的光子,而相同方向运动的光子无法被吸收,即无法被加热。在最终向任意方向释放光子后会有反冲动量,因此使用多普勒冷却会存在反冲极限。

通过对常见制冷方法的学习可以看到要达到不同的温区,可以采用不同的制冷方法。



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