Ядерное размагничивание (nuclear demagnetization) представляет собой метод достижения сверхнизких температур в диапазоне миллиКельвинов, основанный на адиабатическом расширении и спиновой системе ядерных магнитных моментов. Этот метод является продолжением работы с предварительно охлажденными до низких температур криогенными жидкостями, такими как гелий-3 и гелий-4, и позволяет достичь температур, при которых квантовые эффекты становятся доминирующими.
Ключевым элементом является использование материалов с большим ядерным магнитным моментом и низкой электронной теплопроводностью. При этом основная энергия системы сосредоточена в ядерных спинах, а не в электронных состояниях.
Магнитная анизотропия и спиновая энтропия Ядра атомов обладают спином, который при наличии внешнего магнитного поля ориентируется вдоль или против поля, создавая магнитную упорядоченность. Энтропия спиновой системы зависит от степени упорядоченности: при полном упорядочении спины находятся в минимально возможной энергетической конфигурации, а при хаотическом распределении — энтропия максимальна.
Адиабатическое размагничивание Процесс ядерного размагничивания базируется на адиабатическом снижении внешнего магнитного поля. При этом ядерная спиновая система теряет энергию в форме тепла и достигает сверхнизких температур, сохраняя при этом константной общую энтропию. Формально, если S — энтропия системы, а T — температура, адиабатическое условие описывается выражением:
$$ \left(\frac{\partial S}{\partial B}\right)_T = 0, $$
где B — внешнее магнитное поле.
Роль предварительного охлаждения Эффективность ядерного размагничивания напрямую зависит от температуры, на которую предварительно охлаждается спиновая система. Для достижения диапазона миллиКельвинов используется предварительное охлаждение методом ректификации жидкого гелия и последующего использования магнетикорефрижераторных систем или адиабатического демагнитирования электронных спиновых систем (например, медь с сильно упорядоченными электронами).
Медь (63Cu, 65Cu) Медь имеет малое ядерное магнитное взаимодействие и высокую теплопроводность. В криогенной практике используется в виде монокристаллов или медных блоков, охваченных электронным охлаждением, что обеспечивает эффективный теплообмен.
Платина (195Pt) Платина обладает высоким ядерным спином, что делает её подходящей для глубокого размагничивания. Платиновые системы часто используют как эталонные термометры для сверхнизких температур.
Сольовые кристаллы (например, хлорид лития LiCl) Ионные кристаллы с изолированными ядерными спинами применяются для достижения температур порядка 100 мкК. Их низкая электронная теплопроводность предотвращает быстрый разогрев спиновой системы.
Этапы ядерного размагничивания:
Прекулеринг (предварительное охлаждение) Материал охлаждается до температуры порядка 10–20 мК с использованием жидкого гелия-3 или криостатов с магниторефрижераторным охлаждением. На этом этапе спиновая система начинает выравниваться в сильном магнитном поле.
Поляризация спинов Внешнее магнитное поле подается до значений 5–8 Т, что обеспечивает максимальное выравнивание ядерных спинов. В этот момент система достигает минимальной энтропии.
Адиабатическое размагничивание Магнитное поле постепенно уменьшается до нескольких миллиТесла. Поскольку процесс происходит адиабатически, температура ядерной спиновой системы падает пропорционально снижению поля:
$$ T_f = T_i \frac{B_f}{B_i}, $$
где Ti, Tf — начальная и конечная температуры, а Bi, Bf — начальное и конечное магнитное поле.
Тепловой баланс с окружающей средой Для поддержания сверхнизкой температуры используется термическая изоляция материала и минимизация тепловых потоков от окружающих конструкций, включая экранирование радиационного и кондуктивного тепла.
Термометры на основе ядерного спина Измерение температуры осуществляется по характеристикам ядерного магнитного резонанса (ЯМР), где частота или амплитуда сигнала напрямую связаны с температурой спиновой системы.
Термометры на основе кварцевых резонаторов Изменение добротности резонатора при изменении температуры позволяет косвенно определять температуру в диапазоне миллиКельвинов.
Системы с чувствительными SQUID-датчиками Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID) регистрируют малые магнитные поля, что позволяет оценивать спиновую поляризацию и, следовательно, температуру.
Ядерное размагничивание остается одним из наиболее эффективных методов для достижения рекордно низких температур, где квантовые эффекты выходят на первый план, обеспечивая уникальные возможности для экспериментальной и теоретической физики.