核磁致冷创造最低温度记录

　　在现代生活中，利用致冷(也称制冷)的冰箱已成为重要的家用电器。但是目前常用的冰箱制冷剂中含有不利于环境保护、破坏高空臭氧层的氟(F)和氯(Cl)，因而促进了多种致冷方法技术的研究。磁致冷技术便是其中很受重视的致冷技术，例如,正在研究的利用稀土金属钆(Gd)及其合金在其铁磁-顺磁临界温度区域的磁-热效应的致冷。又例如，已经利用锰(Mn)系和铬(Cr)系硫酸盐等顺磁(性)盐类的顺磁绝热退磁效应在超低温度区域将温度降低到约百分之一(10^-2)开(K)，是当前超低温度区域较常用的一种致冷技术。什么是磁绝热退磁致冷技术？简单说来就是把在大约1开(K)的起始温度的顺磁盐放在外加强的磁场中磁化，所放出的磁化热传到顺磁盐周围环境中，温度保持不变。然后把顺磁盐同周围环境隔离，处于绝热状态，再去掉或剧减外加磁场，顺磁盐转变为退磁状态，原子磁矩从磁有序转变为磁无序，这就需要吸收能量，但是已处于绝热状态的顺磁盐不能从周围环境吸取能量，便只有从顺磁盐自己的原子运动中吸取能量，这样就使顺磁盐的分子运动减弱而使温度降低。这种磁绝热退磁过程进行多次便可使顺磁盐温度降低到一定的程度。一般说来，利用顺磁盐的绝热退磁方法可以使顺磁盐温度降低到约百分之一(10^-2)开(K)，即约10毫开(mK)，也可称为毫开(mK)范围或毫开(mK)量级。

图4　二级绝热 退磁极低温装置 示意图

　　利用同样的绝热退磁方法可以使一定物质的原子核磁矩系统的温度降低。例如利用铜(Cu)原子核绝热退磁方法可以铜(Cu)原子核系统温度降低到约百万分之一开(K)，即约1微开(μK)或更低。目前利用(Cu)原子核绝热退磁方法达到的最低温度为十亿分之二开(K)，即约2纳开(nK)，这是目前所知达到的最低温度。我国的访问学者殷实也参加了这一项研究工作。图4中为一个两级原子核绝热退磁装置的主要结构示意图。两级分别利用PrNi₅合金中镨(Pr)原子核和(Cu)原子核绝热退磁致冷效应，最低温度达到约100万分之27开(K)，即约27微开(μK)。这里需要注意的是，利用原子核磁矩系统的绝热退磁致冷方法所达到的最低温度是指原子核磁矩系统的温度，并不是含这一原子核的物质的温度；根据热力学定律，绝对温度的0开(K)是不可能达到的，但可以接近0开(K)。