
【機】 adiabatic demagnetization
絕熱去磁(Adiabatic Demagnetization)是一種利用磁熱效應獲得極低溫的物理技術。其核心原理基于熱力學和磁學性質,具體過程及解釋如下:
$$ dS = 0 quad Rightarrow quad T propto frac{1}{B} $$ 其中 ( S ) 為熵,( T ) 為溫度,( B ) 為磁場強度。
将順磁鹽(如硫酸钆)置于強磁場(通常1-3特斯拉)中,磁矩沿磁場方向有序排列,系統向環境放熱,熵減小。
隔離系統并撤除磁場,磁矩恢複無序狀态需消耗内能,導緻溫度驟降,可達毫開爾文(mK)量級。
Cryogenic Techniques: Adiabatic Demagnetization (鍊接為NIST官網公開文檔)
Pobell, F. (2007). Matter and Methods at Low Temperatures. Springer. (Chapter 8)
Giauque, W. F. (1927). A Thermodynamic Treatment of Magnetic Cooling. Physical Review 鍊接為APS期刊存檔頁
此技術由德拜(1926)和吉奧克(1927)獨立提出,現為極低溫研究的基石方法之一。
絕熱去磁是一種通過改變磁場和熵來實現超低溫的技術,主要用于獲得接近絕對零度的極低溫環境(通常低于1K)。以下是綜合多個來源的詳細解釋:
熱力學基礎
絕熱去磁基于磁熵與溫度的關系。當順磁材料(如順磁鹽)在磁場中被磁化時,其内部磁矩有序排列,磁熵減小,同時釋放熱量(由液氦等介質吸收)。若在絕熱條件下撤去磁場,磁矩恢複無序狀态,磁熵增加,而系統總熵保持不變,因此晶格振動熵減少,導緻溫度下降。
公式表達
根據熱力學關系,絕熱去磁的溫度變化可表示為:
$$
Delta T = frac{T}{C_H} cdot left( frac{partial M}{partial T} right)_H cdot Delta H
$$
其中,(C_H)為熱容,(M)為磁化強度,(H)為磁場強度。
預冷與磁化
将順磁鹽(如硝酸鎂铈CMN、鉻鉀釩CPA)置于液氦環境中預冷至約1K,施加強磁場(約(10 , text{A/m})),使磁矩有序排列并釋放熱量。
絕熱去磁
抽離熱交換介質(如低壓氦氣),在絕熱條件下緩慢撤去磁場。磁矩無序化導緻系統溫度進一步降低,最低可達毫開爾文(mK)量級。
優勢
局限性
應用領域
該技術由W.F.吉奧克和P.J.W.德拜于1926年獨立提出,1933年吉奧克首次實驗成功。
綜合自、2、3、4、7、11等,涵蓋原理、操作及曆史背景。如需進一步了解公式推導或實驗細節,可查閱原始文獻或低溫物理教材。
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