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種方式來獲得低溫。這期會向大家展示如何通過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

利用順磁性物質使溫度降低到mK及更低溫度的一種技術。絕熱退磁過程只能在極低溫下實現(xiàn)，因為大于2K或3K時存在聲子熱效應。在低溫和強磁場B的作用下，順磁物質原子或原子核的磁矩μ將沿磁場方向整齊排列；若再對處于這種狀態(tài)的順磁質使用絕熱去磁技術，就可使它們降到接近絕對零度的極低溫度。

通常，先用液氦將一些具有順磁性的鹽類物質如硝酸鈰鎂、鉻鉀礬等含有磁性離子的鹽類，在強磁場下使其降到1K或更低。此時原子磁矩的因子（μB/kT）將比1更大，原子磁矩將大部分沿磁場方向整齊排列，物質的磁化接近飽和。隨后，再使這些物質與外界絕熱，并退去外加磁場，順磁鹽類物質的溫度即會有顯著下降。應用這種原子磁矩的絕熱去磁法，可得到10-3K數(shù)量級的低溫。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，因子（μB/kT）的數(shù)值仍然只有10-3K的數(shù)量級。一般是先用稀釋制冷機，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的溫度降到10-3K，此時（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的方向排列，可應用核磁矩的絕熱去磁法使樣品的溫度進一步降低。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，銅作第二級，銅的溫度可降到10-6K。

退去磁場時，保持順磁物質與外界絕熱至關重要。因為絕熱過程體系熵不能發(fā)生變化，即，與磁矩排列有序程度相關的因子μB/kT為常數(shù)，B減小時，溫度T才會相應地下降。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

一般來說,激光制冷的物質處于蒸汽團(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,溫度是指分子運動速度快慢,如果分子/原子蒸汽團的運動速度為0,則達到絕對零度.所以激光致冷的物理意義即把分子/原子蒸汽團的運動速度降低。(kB為玻爾茲曼常數(shù)，T是熱力學溫度，等式左邊為分子平均動能) 

（1）當原子靜止不動時，由于激光的頻率稍低，原子無法吸收光子，無影響。

（2）當原子與激光運動方向相同時，由于多普勒效應，原子感受到的頻率紅移，更加無法吸收光子，也無影響。

（3）當原子與激光相向運動時，由于多普勒效應，原子吸收光子，速度減慢，再向任意方向輻射一個光子，經(jīng)過這個過程后原子速度減慢。

這個過程有兩個結論：原子只能吸收相向運動的光子，而相同方向運動的光子無法被吸收，即無法被加熱。在最終向任意方向釋放光子后會有反沖動量，因此使用多普勒冷卻會存在反沖極限。

通過對常見制冷方法的學習可以看到要達到不同的溫區(qū)，可以采用不同的制冷方法。