Магнитное охлаждение - метод получения температур ниже 1 К путём адиабатического размагничивания парамагнитных веществ. Предложен П. Дебаем и американским физиком У. Джиоком (1926); впервые осуществлен в 1933. Магнитное охлаждение – один из двух практически применяемых методов получения температур ниже 0,3 К (другим методом является растворение жидкого гелия ³He в жидком ⁴He).

Для магнитного охлаждения применяют соли редкоземельных элементов (например, сульфат гадолиния), хромокалиевые, железоаммониевые, хромометиламмониевые квасцы и ряд других парамагнитных веществ. Кристаллическая решётка этих веществ содержит ионы Fe, Cr, Gd с недостроенными электронными оболочками и отличным от нуля собственным магнитным моментом (спином). Парамагнитные ионы разделены в кристаллической решётке большим числом немагнитных атомов. Это приводит к тому, что магнитное взаимодействие ионов оказывается слабым: даже при низких температурах, когда тепловое движение значительно ослаблено, силы взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных спинов. В методе магнитного охлаждения применяется достаточно сильное (~ несколько кЭ) внешнее магнитное поле, которое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетик. При выключении внешнего поля (размагничивании парамагнетика) спины под действием теплового движения атомов (ионов) кристаллической решётки вновь приобретают хаотическую ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в условиях теплоизоляции), то температура парамагнетика понижается.

Процесс магнитного охлаждения принято изображать на термодинамической диаграмме в координатах температура Т – энтропия S (рис. 1). Получение низких температур связано с достижением состояний, в которых вещество обладает малыми значениями энтропии. В энтропию кристаллического парамагнетика, характеризующую неупорядоченность его структуры, свою долю вносят тепловые колебания атомов кристаллической решётки («тепловой беспорядок») и разориентированность спинов («магнитный беспорядок»). При Т=0 энтропия решётки S_peш убывает быстрее энтропии системы спинов S_магн, так что S_peш при температурах Т < 1 К становится исчезающе малой по сравнению с S_магн. В этих условиях возникает возможность осуществить магнитное охлаждение.

Цикл магнитного охлаждения (рис.1). состоит из 2 стадий: 1) изотермического намагничивания (линия АБ) и 2) адиабатического размагничивания парамагнетика (линия БВ). Перед намагничиванием температуру парамагнетика при помощи жидкого гелия понижают до Т ~ 1 К и поддерживают её постоянной на протяжении всей 1-й стадии магнитного охлаждения. Намагничивание сопровождается выделением теплоты и уменьшением энтропии до значения S_H. На 2-й стадии магнитного охлаждения, тепловое движение, разрушая упорядоченность спинов, приводит к увеличению S_магн. Однако в процессе адиабатического размагничивания энтропия парамагнетика в целом не меняется. Увеличение S_магн компенсируется уменьшением S_peш, то есть охлаждением парамагнетика.
Взаимодействие спинов между собой и с кристаллической решёткой (спин-решёточное взаимодействие) определяет температуру, при которой начинается резкий спад кривой S_магн при Т = 0 и становится возможным магнитное охлаждение. Чем слабее взаимодействие спинов, тем более низкие температуры можно получить методом магнитного охлаждения. Парамагнитные соли, применяемые для магнитного охлаждения, позволяют достичь температур ~ 10^–3 К.
Значительно более низких температур удалось достигнуть, используя парамагнетизм уже не атомов (ионов), а атомных ядер. Магнитные моменты ядер примерно в тысячу раз меньше спиновых магнитных моментов электронов, определяющих моменты парамагнитных ионов. Поэтому взаимодействие ядерных магнитных моментов значительно слабее взаимодействия моментов ионов. Для намагничивания до насыщения системы ядерных магнитных моментов даже при Т = 1 K требуются сильные магнитные поля (~ 10⁷ э). Практически применяют поля 10⁵ э, но тогда необходимы более низкие температуры (~ 0,01 К). При исходной температуре ~ 0,01 K адиабатическим размагничиванием системы ядерных спинов (например, в образце меди) удаётся достигнуть температуры 10^–5–10^–6 К. До этой температуры охлаждается не весь образец. Полученная температура (её называют спиновой) характеризует интенсивность теплового движения в системе ядерных спинов сразу после размагничивания. Электроны же и кристаллическая решётка остаются после размагничивания при исходной температуре ~ 0,01 К. Последующий обмен энергией между системами ядерных и электронных спинов (посредством спин–спинового взаимодействия) может привести к кратковременному охлаждению всего вещества до Т ~ 10^–4 К. Измеряют низкие температуры (~ 10^–2 К и ниже) методами магнитной термометрии. Практически магнитное охлаждение осуществляют следующим способом (рисунок 2, а). Блок парамагнитной соли С помещается на подвесках из материала с малым коэффициентом теплопроводности внутри камеры 1, которая погружена в криостат 2 с жидким гелием ⁴He. Откачкой паров гелия температура в криостате поддерживается на уровне 1,0–1,2 К (применение жидкого ³He позволяет снизить исходную температуру до ~ 0,3 К). Теплота, выделяющаяся в соли во время намагничивания, отводится к жидкому гелию газом, заполняющим камеру 1. Перед выключением магнитного поля газ из камеры 1 откачивают через кран 4 и таким образом блок соли теплоизолируют от жидкого гелия. После размагничивания температура соли понижается и может достигнуть нескольких тысячных долей градуса. Запрессовывая в блок соли какое–либо вещество или соединяя вещество с блоком соли пучком тонких медных проволочек, можно охладить вещество практически до тех же температур. Наиболее низкие температуры получают методом двухступенчатого магнитного охлаждения (рисунок 2, б). Сначала производят адиабатическое размагничивание соли С и через тепловой ключ (теплопроводящую перемычку) К охлаждают предварительно намагниченную соль D. Затем, после размыкания ключа К, размагничивают соль D, которая при этом охлаждается до температуры существенно более низкой, чем была получена в блоке соли С. Тепловым ключом в установках описанного типа обычно служит проволочка из сверхпроводящего вещества, теплопроводность которой в нормальном и сверхпроводящем состояниях при Т ~ 0,1 К различается во много раз. По схеме рисунок 2, б осуществляют и ядерное размагничивание с тем отличием, что соль D заменяют образцом (например, меди), для намагничивания которого применяется поле напряжённостью в несколько десятков кэ.

Магнитное охлаждение широко применяется при изучении низкотемпературных свойств жидкого гелия (сверхтекучести и других), квантовых явлений в твёрдых телах (например, сверхпроводимости), явлений ядерной физики и т.д.

В настоящее время работы над небольшими магнитными холодильниками для космических применений, работающими по принципу адиабатического размагничивания, финансируются несколькими исследовательскими центрами НАСА. Исследования возможностей магнитных холодильников для коммерческих применений ведутся Astronautics Corporation of America (США, Висконсин) и Университетом Виктория (Канада). Изучением материалов для рабочих тел магнитных холодильников с прикладной точки зрения в настоящее время интенсивно занимаются Лаборатория Эймса (Ames, штат Айова), Университет Three Rivers в Квебеке (Канада), NIST (Gathersburg, MD) и компания “Перспективные магнитные технологии и консультации” (AMT&C).

Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов NdFeB (наиболее эффективные постоянные магниты) и работают над их конструкциями. Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.

- Необходимость экранировки магнитного источника.
- Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
- Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах. (не более 30 ° С).

Для получения низких температур обычно используется ожиженный газ. Снижая давление над свободной поверхностью жидкости можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры 63 K, откачкой паров водорода (над твердой фазой) можно добиться температуры 10 K, откачкой паров гелия можно добиться (при очень хороших условиях проведения эксперимента) температуры около 0,7 K.
В 1926 году Джикок и Дебай независимо друг от друга показали, что у парамагнитных веществ при достаточно низких температурах величина магнитокалорического эффекта должна быть большой и что этот эффект можно использовать для получения низких температур. В первых экспериментах Джикока и Мак-Дугалла в 1933 г. была достигнута температура 0,25 K.

Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K.

Образец из парамагнитной соли подвешивается на нити в трубке, заполненной газообразным гелием под небольшим давлением. Газообразный гелий обеспечивает контакт с ванной жидкого гелия, охлаждаемой испарением жидкости под пониженным давлением. Во время работы в ванне поддерживается возможно более низкое давление, обычно соответствующее температуре ~1 K. За счет теплопроводности газа парамагнитная соль охлаждается до температуры гелиевой ванны. Затем включается магнитное поле.

В процессе намагничивания соль нагревается. Ориентирование магнитных ионов вдоль магнитного поля уменьшает энтропию. Тепло от соли отводится в гелиевую ванну, и температура соли снова становиться равной 1 K.

Далее газ, который окружает образец и находится с ним в тепловом контакте, откачивается и после этого производится выключение магнитного поля. В процессе адиабатического размагничивания энтропия и энергия магнитных ионов частично восстанавливается за счет энергии решетки и температура соли заметно понижается.

Для получения очень низких температур более всего подходят соли с малой концентрацией парамагнитных ионов, т.е. соли, в которых соседние парамагнитные ионы отделены друг от друга немагнитными атомами. Взаимодействие между магнитными ионами в этом случае оказывается очень слабым. Например, в хромо–калиевых квасцах каждый магнитный атом хрома окружен 47 немагнитными соседями.

В созданном прототипе магнитного холодильника используется вращающаяся колёсная конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

Конструкция спроектирована таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток собственно и используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом.

"Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода энергии, - говорит профессор Карл Шнайднер из Ames Laboratory. Энергия необходима для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов".

Впервые эта технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В настоящее время идет работа над дальнейшим расширением ее возможностей: совершенствуется технологический процесс коммерческого производства чистого гадолиния и необходимых его соединений, который позволит добиться большей величины МКЭ при меньших затратах. Одновременно сотрудники Лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный создавать сильное магнитное поле. Новый магнит создаёт поле в два раза большее, чем магнит в предшествующей конструкции магнитного холодильника (2001 г.), что является весьма важным, т.к. величина магнитного поля определяет такие параметры холодильника, как эффективность и выходная мощность.