[科普中国]-磁冷却法

磁冷却法是德拜在1926年提出的，由热力学可以证明，顺磁性固体的温度在绝热过程中，随磁场减弱而下降，因此，可以在等温过程中进行磁化(即增强磁场)，然后在绝热过程中退磁(即减弱磁场)，结果使温发降低，乔克于1933年实现此法，这样可使温度降至1mK。1

概述又称绝热去磁，磁热效应。绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法，即磁冷却法。这是1926年德拜提出来的。在绝热过程中顺磁固体的温度随磁场的减小而下降。

将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温，加上磁场（量级为10^6A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的。顺磁体磁化后，抽出低压氦气而使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）。

利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温。例如从0.5K出发，使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK。当温度降到mK量级时，顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略。磁矩间的相互作用相当于产生一个等效的磁场（大小约10^4~10^3A/m），使磁矩的分布有序化，这方法便不再有效。

核磁矩的大小约为原子磁矩的1/2000。因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多，利用核绝热去磁可以获得更低的温度

原理为了能够获得更低的，如K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，对顺磁物质盐类的核磁矩施行绝热去磁。由于原子核的磁矩太小，即使在1—2K的温度时，因子（μB/kT）的数值仍然只有K的数量级。因此在此温区内用核磁矩的绝热去磁法不会产生明显的降温效应。一般是先用稀释致冷机，用原子磁矩的绝热去磁把顺磁盐类物质的温度降到K，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，可应用绝热去磁法使样品的温度进一步降低，达到K数量级的超低温。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K。由于不可避免的耦合作用，这样的超低温大约只能维持30—90秒，随后很快地回到原来的状态。

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，在极低温时，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。2

应用基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。该化合物作为制冷物质有一个缺点：当在该材料表现出大的磁热效应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量。但是现在，研究人员找到了克服这一问题的一个简单方法。只是通过添加少量铁，就可将磁滞现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近室温的环境下应用。

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学