Magnetische Kühlung
Table of contents |
2 Adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze 3 Adiabatische Kernentmagnetisierung 4 Siehe auch |
Die magnetische Kühlung (Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung) basiert auf der Temperaturabhängigkeit in der Ordnung (der Entropie) der magnetischen Momente des verwendeten Materials. Dabei können sowohl die magnetischen Momente der Elektronen (wie bei der adiabatischen Entmagnetisierung paramagnetischer Salze) als auch Kernmomente (siehe adiabatische Kernentmagnetisierung) genutzt werden.
Bei hohen Temperaturen ist die thermische Energie größer als die Wechselwirkungsenergie der magnetischen Momente, die dadurch völlig ungeordnet sind. Entspricht die Größe der beteiligten Momente einem Drehimpuls J, ergibt sich eine konstante Entropie
pro Mol, wobei R die allgemeine Gaskonstante bezeichnet. Sinkt bei tiefen Temperaturen die thermische Energie unter die Wechselwirkungsenergie der magnetischen Momente, beginnen diese, sich zu ordnen; die Entropie sinkt entlang der gestrichelten Linie der schematischen Darstellung. Bei Anwesenheit eines Magnetfeldes wird eine Vorzugsrichtung festgelegt und die Ordnungstemperatur angehoben (Punkt A nach Punkt B). Zunächst wird dadurch pro Mol die Wärme
freigesetzt, die mit geeigneten Maßnahmen abgeführt werden muss. Im allgemeinen geschieht diese Vorkühlung mit Hilfe der 3He-4He-Entmischungskühlung. Wird das Magnetfeld anschließend unter thermischer Isolation (adiabatisch) gesenkt, bedingt der Ordnungszustand eine entsprechend tiefere Temperatur (Punkt C).
Die erreichbare Temperatur ist dabei limitiert durch das innere Feld b, welches durch die magnetischen Momente selbst hervorgerufen wird.
Die Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze (z.B. von CMN) war die erste Methode, mit der Temperaturen im Bereich von einigen Millikelvin ( Kelvin) erreicht werden konnten. Sie wurde bereits 1926 von Debye bzw. 1927 durch Giauque vorgeschlagen und nutzt die magnetischen Momente der Elektronen. Die Methode wurde jedoch seit der Entwicklung der 3He-4He-Entmischungskühlung weitgehend abgelöst, da diese im Gegensatz zur magnetischen Kühlung kontinuierlich arbeitet.
Die Kühlung durch adiabatische Kernentmagnetisierung, bei der die magnetischen Momente der Atomkerne genutzt werden, ist nach wie vor die einzige Methode, mit der ein Festkörper auf deutlich unter 1 Millikelvin gekühlt werden kann. Die geringe Größe der Kernmomente (ca. 1/2000 derer von Elektronen) macht eine Vorkühlung auf einige Millikelvin und hohe Magnetfelder im Bereich von mehreren Tesla erforderlich.Magnetische Kühlung
Adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze
Adiabatische Kernentmagnetisierung