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adiabatische Entmagnetisierung

1926 von P. Debye und, davon unabhängig, 1927 von W.F. Giauque vorgeschlagene Methode zur Erzeugung tiefster Temperaturen unter 1K auf der Grundlage des magnetokalorischen Effektes.

In einem ersten Schritt (isotherme Magnetisierung) bringt man eine paramagnetische Substanz unter den Einfluss eines Magnetfeldes, so dass die Elementarmagnete in diesem Feld ausgerichtet werden. In einem zweiten Schritt, der eigentlichen adiabatischen Entmagnetisierung, wird nach thermischer Isolierung der Substanz das Magnetfeld langsam abgeschaltet. Nach Abschalten des Feldes sind die Elementarmagnete bestrebt, wieder die statistische Unordnung anzunehmen. Da die Entropie aber bei der adiabatischen Zustandsänderung konstant bleibt, ist die Erniedrigung des Ordnungsgrades, die an sich einer Entropieerhöhung entsprechen würde, mit einer Verringerung der Temperatur der Substanz verbunden. Für paramagnetische Substanzen, die dem Curie-Gesetz folgen, gilt adiabatische Entmagnetisierung; dabei ist T die absolute Temperatur, H das Magnetfeld, c die spezifische molare Wärme und m das molare magnetische Dipolmoment. Wenn sich die Temperaturen dem absoluten Nullpunkt nähern, nimmt die spezifische Wärme gemäss dem T3-Gesetz ab, und die Suszeptibilität nimmt zu. Der Effekt, der bei Zimmertemperatur sehr gering ist, gewinnt in der Nähe des Nullpunktes Bedeutung zur Erzeugung tiefer Temperaturen bis zu 10 - 6 K.

Die maximal erreichbare Kühlung wird begrenzt von der stets vorhandenen Dipolwechselwirkung der Elektronenspins und einer sehr schwachen Austauschwechselwirkung, die auch ohne äusseres Magnetfeld zu einer gewissen Ausrichtung der Spins führen. Diese Effekte können durch Verwendung paramagnetischer Salze, bei denen paramagnetische Ionen zwischen vielen nichtmagnetischen liegen, noch reduziert werden. Auf diese Weise können durch adiabatische Elektronenspin-Kühlung Temperaturen im mK-Bereich erreicht werden. Da bei Kernspins die Wechselwirkungen im Verhältnis der Massen von Kern und Elektron um etwa drei Grössenordnungen geringer sind, können mit adiabatischer Kern-Entmagnetisierung, z.B. mit Kupferatomen, Temperaturen im mK-Bereich erzeugt werden, durch zweistufige Kern-Entmagnetisierung sogar bis ca. 50nK (Nanokelvin-Kryostat). [MD, UR]

adiabatische Entmagnetisierung

adiabatische Entmagnetisierung 1: T,S-Diagramm eines paramagnetischen Salzes (Eisen-Ammonium-Alaun). Der Kühlprozess besteht aus einer Isotherme und einer Adiabaten (genauer: Isentropen).

adiabatische Entmagnetisierung

adiabatische Entmagnetisierung 2: Schema für den Ablauf der adiabatischen Entmagnetisierung. Phase 1: isotherme Magnetisierung; Phase 2: thermische Isolierung durch Abpumpen des Heliumgases; Phase 3: Entmagnetisierung nach Abschalten des Magnetfeldes.

 

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