adiabatische Entmagnetisierung

adiabatische Entmagnetisierung,

 

Verfahren zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen (unter 1 K) unter Ausnutzung eines magnetokalorischen Effekts. Paramagnetische Atome besitzen einen Spin, der entweder von ihren Elektronen oder vom Atomkern (Kernspin) herrührt, und mit ihm verknüpft ein magnetischer Moment (Atom- oder Kernmoment), sodass man sie als winzige Elementarmagnete (magnetische Dipole) ansehen kann. Diese Spins und magnetische Momente sind im Kristallgitter eines festen paramagnetischen Stoffes normalerweise regellos orientiert und verändern infolge der Wärmebewegung (thermische Gitterschwingungen) der Atome fortwährend ihre Richtung im Raum. Legt man nach Abkühlung auf etwa 1 K ein äußeres Magnetfeld (Stärke etwa 1 Tesla) an, so werden sie parallel zur Feldrichtung ausgerichtet. Bei diesem Übergang vom ungeordneten in den geordneten Zustand wird (ähnlich wie beim Phasenübergang von Wasser zu Eis) Energie in Form von Wärme frei, die an das zur Vorkühlung benutzte Kühlmittel abgegeben wird. Wird anschließend die Magnetfeldstärke wieder langsam verringert, so kehren die magnetischen Momente in ihren statistisch ungeordneten Zustand zurück (Entmagnetisierung). Unterbricht man vor der Reduzierung des Magnetfelds den Wärmekontakt der Probe mit der Umgebung (adiabatische Prozessführung), so wird die zur Erhöhung der Spinentropie erforderliche Wärmemenge den thermischen Gitterschwingungen der Atome entzogen, was eine Temperaturerniedrigung zur Folge hat. Das Verfahren arbeitet nur bis zu einer Temperatur, bei der die magnetische Wechselwirkung zwischen den atomaren magnetischen Dipolen zu einer spontanen Ausrichtung ohne äußeres Magnetfeld führt. Diese Ordnungstemperatur der verwendeten Substanz, die umso niedriger ist, je kleiner die magnetische Wechselwirkung ist, muss unterhalb der gewünschten Endtemperatur liegen, die außerdem von der Ausgangstemperatur und der Magnetfeldstärke abhängt. Bei 1 K Ausgangstemperatur sind durch adiabatische Entmagnetisierung der magnetischen Momente der Elektronenhülle in Verbindungen mit magnetischen Ionen der seltenen Erden (paramagnetische Salze) Temperaturen von rd. 1 mK erreichbar. Wird die Probe auf 0,01 K vorgekühlt, so lässt sich auch die adiabatische Entmagnetisierung der magnetischen Kernmomente, die etwa drei Größenordnungen schwächer sind als die Momente der Elektronen, ausnutzen, wozu jedoch Magnetfelder von 10 Tesla benötigt werden. Auf diese Weise sind Temperaturen im Mikro-Kelvin-Bereich zugänglich (Tieftemperaturphysik).