低溫專題 | 如何獲得低溫（三)

大家好，先前我們掌握了如何通過(guò)相變制冷、氣體等焓膨脹制冷、絕熱放氣制冷、渦流制冷、溫差熱電制冷和3He-4He氦稀釋制冷6種方式來(lái)獲得低溫。這期會(huì)向大家展示如何通過(guò)絕熱退磁制冷和激光制冷的2種方式獲得低溫。

7. 絕熱退磁制冷

利用順磁性物質(zhì)使溫度降低到mK及更低溫度的一種技術(shù)。絕熱退磁過(guò)程只能在極低溫下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇笥?K或3K時(shí)存在聲子熱效應(yīng)。在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)B的作用下，順磁物質(zhì)原子或原子核的磁矩μ將沿磁場(chǎng)方向整齊排列；若再對(duì)處于這種狀態(tài)的順磁質(zhì)使用絕熱去磁技術(shù)，就可使它們降到接近絕對(duì)零度的極低溫度。

通常，先用液氦將一些具有順磁性的鹽類物質(zhì)如硝酸鈰鎂、鉻鉀礬等含有磁性離子的鹽類，在強(qiáng)磁場(chǎng)下使其降到1K或更低。此時(shí)原子磁矩的因子（μB/kT）將比1更大，原子磁矩將大部分沿磁場(chǎng)方向整齊排列，物質(zhì)的磁化接近飽和。隨后，再使這些物質(zhì)與外界絕熱，并退去外加磁場(chǎng)，順磁鹽類物質(zhì)的溫度即會(huì)有顯著下降。應(yīng)用這種原子磁矩的絕熱去磁法，可得到10-3K數(shù)量級(jí)的低溫。具體的數(shù)值受順磁鹽自發(fā)磁有序溫度的限制。對(duì)硝酸鈰鎂，能得到的最低溫度約為1.5mK。

為了能夠獲得更低的，如10-6K數(shù)量級(jí)的溫度，必須要利用自發(fā)磁有序溫度更低的核磁矩系統(tǒng)。由于原子核的磁矩太小，即使在1K的溫度時(shí)，因子（μB/kT）的數(shù)值仍然只有10-3K的數(shù)量級(jí)。一般是先用稀釋制冷機(jī)，將溫度降到10-3K，但若先用原子磁矩的絕熱去磁把順磁鹽類物質(zhì)的溫度降到10-3K，此時(shí)（μB/kT）的數(shù)值已經(jīng)接近1，大多數(shù)核磁矩將沿著外磁場(chǎng)的方向排列，可應(yīng)用核磁矩的絕熱去磁法使樣品的溫度進(jìn)一步降低。PrNi5合金和金屬銅是常用的核絕熱去磁材料，利用PrNi5作第一級(jí)，銅作第二級(jí)，銅的溫度可降到10-6K。

退去磁場(chǎng)時(shí)，保持順磁物質(zhì)與外界絕熱至關(guān)重要。因?yàn)榻^熱過(guò)程體系熵不能發(fā)生變化，即，與磁矩排列有序程度相關(guān)的因子μB/kT為常數(shù)，B減小時(shí)，溫度T才會(huì)相應(yīng)地下降。此外，在極低溫下，固體材料的熱容極小，很少的漏熱即會(huì)使溫度上升很多，在順磁鹽絕熱去磁中，漏熱要減小到約0.1μW。對(duì)于核絕熱去磁，最大的漏熱約為1nW。

【圖1】絕熱退磁制冷

 8.  激光制冷

一般來(lái)說(shuō),激光制冷的物質(zhì)處于蒸汽團(tuán)(現(xiàn)在也有一些前沿小組能把氟化物等固體制冷，但都是出于真空狀態(tài))。在蒸汽狀態(tài)下,溫度是指分子運(yùn)動(dòng)速度快慢,如果分子/原子蒸汽團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度為0,則達(dá)到絕對(duì)零度.所以激光致冷的物理意義即把分子/原子蒸汽團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度降低。(kB為玻爾茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，等式左邊為分子平均動(dòng)能) 

（1）當(dāng)原子靜止不動(dòng)時(shí)，由于激光的頻率稍低，原子無(wú)法吸收光子，無(wú)影響。

（2）當(dāng)原子與激光運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子感受到的頻率紅移，更加無(wú)法吸收光子，也無(wú)影響。

（3）當(dāng)原子與激光相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子吸收光子，速度減慢，再向任意方向輻射一個(gè)光子，經(jīng)過(guò)這個(gè)過(guò)程后原子速度減慢。

這個(gè)過(guò)程有兩個(gè)結(jié)論：原子只能吸收相向運(yùn)動(dòng)的光子，而相同方向運(yùn)動(dòng)的光子無(wú)法被吸收，即無(wú)法被加熱。在最終向任意方向釋放光子后會(huì)有反沖動(dòng)量，因此使用多普勒冷卻會(huì)存在反沖極限。

通過(guò)對(duì)常見制冷方法的學(xué)習(xí)可以看到要達(dá)到不同的溫區(qū)，可以采用不同的制冷方法。