§35-5 绝热退磁冷却法

关于顺磁性有一种很有趣的特殊应用。在非常低的温度下,有可能把原子磁体在一个强磁场中整齐排列起来。这时就能够通过一种所谓绝热退磁 过程来获得极端 低的温度。我们可取一种顺磁性盐(比方,像硝酸镨铵那样含有一些稀土原子的盐),并一开始就在强磁场中用液态氦把它降低到绝对温度1或2度,这时因子μB/kT就会大于1——比如说大概是2或3。大多数自旋已被整齐排列,因而磁化几乎饱和。为简易起见,让我们说,磁场很强而温度很低,以致几乎所有原子都被整齐排列。那么,你就把盐绝热隔离(比如说,通过移去液态氦并保留高度真空),并将磁场撤除。盐的温度就大大降低下来。

现在假如你突然 把磁场除去,那么晶格内原子的轻微的摆动或振动就会逐渐把所有自旋从整齐排列中撞散开来。它们有些自旋向上,而有些自旋向下。但若没有磁场(并略去原子间的互作用,它只会造成微小误差),则翻转原子磁体并不需要能量。所以它们会在能量不发生改变因而也就没有任何温度变化的条件下,使本身的自旋处在随机分布的状态。

然而,假定正当那些原子磁体被热运动所翻转时还存在一些磁场,那么当把它们翻转到逆着磁场时就需要作一些功——它们必须反抗场而作功 。这会从热运动中取出能量,从而降低了温度。因此,如果该强磁场并非消除得太快,则盐的温度将降低——它是通过去磁而被冷却的。根据量子力学观点,当场强时所有原子都处于最低能态,因为任何会处于较高能态的可能性不可能大。但当场减弱时,热涨落使原子处在较高能态的可能性变得越来越大。当此事发生时,原子吸收了能量ΔU=μ0 B。因此,若场慢慢除去,则这种磁跃迁会从晶体的热振动中取出能量,因而就把它冷却了。用这种办法能够将温度从绝对温度几度降低至千分之几度。

你是否想要制造甚至比这更冷的东西?事实证明,自然界已提供了一条途径。我们曾经提到过原子核也有磁矩。关于顺磁性的公式对核也同样适用,不同之处仅在于核磁矩约比原子磁矩小千倍 [它们具有qћ/(2mp )的数量级,其中mp质子 质量,由于电子质量与质子质量之比较小,所以核磁矩也较小]。对于这样的磁矩,即使在2K的温度,因子μB/kT也只有千分之几。但如果利用顺磁性的去磁过程把温度降低至千分之几度,那么μB/kT就会变成一个接近于1的数——在这种低温下,我们能够着手使核磁矩饱和。那很幸运,因为此后便可利用核磁性的绝热去磁方法来达到更低温度。这样,就有可能做出两级的磁冷却。首先,利用顺磁性离子的绝热去磁达到千分之几度。然后,再利用这寒冷的顺磁性盐来冷却某些具有强核磁性的材料。最后,当我们从这一材料中移去磁场时,它的温度就会降低到绝对零度1度的兆分之一 内——只要我们非常小心地做完每件事情。