低温专题 | 如何获得低温（三)

大家好，先前我们掌握了如何通过相变制冷、气体等焓膨胀制冷、绝热放气制冷、涡流制冷、温差热电制冷和3He-4He氦稀释制冷6种方式来获得低温。这期会向大家展示如何通过绝热退磁制冷和激光制冷的2种方式获得低温。

7. 绝热退磁制冷

利用顺磁性物质使温度降低到mK及更低温度的一种技术。绝热退磁过程只能在极低温下实现，因为大于2K或3K时存在声子热效应。在低温和强磁场B的作用下，顺磁物质原子或原子核的磁矩µ将沿磁场方向整齐排列；若再对处于这种状态的顺磁质使用绝热去磁技术，就可使它们降到接近绝对零度的极低温度。

通常，先用液氦将一些具有顺磁性的盐类物质如硝酸铈镁、铬钾矾等含有磁性离子的盐类，在强磁场下使其降到1K或更低。此时原子磁矩的因子（µB/kT）将比1更大，原子磁矩将大部分沿磁场方向整齐排列，物质的磁化接近饱和。随后，再使这些物质与外界绝热，并退去外加磁场，顺磁盐类物质的温度即会有显著下降。应用这种原子磁矩的绝热去磁法，可得到10-3K数量级的低温。具体的数值受顺磁盐自发磁有序温度的限制。对硝酸铈镁，能得到的最低温度约为1.5mK。

为了能够获得更低的，如10-6K数量级的温度，必须要利用自发磁有序温度更低的核磁矩系统。由于原子核的磁矩太小，即使在1K的温度时，因子（µB/kT）的数值仍然只有10-3K的数量级。一般是先用稀释制冷机，将温度降到10-3K，但若先用原子磁矩的绝热去磁把顺磁盐类物质的温度降到10-3K，此时（µB/kT）的数值已经接近1，大多数核磁矩将沿着外磁场的方向排列，可应用核磁矩的绝热去磁法使样品的温度进一步降低。PrNi5合金和金属铜是常用的核绝热去磁材料，利用PrNi5作第一级，铜作第二级，铜的温度可降到10-6K。

退去磁场时，保持顺磁物质与外界绝热至关重要。因为绝热过程体系熵不能发生变化，即，与磁矩排列有序程度相关的因子µB/kT为常数，B减小时，温度T才会相应地下降。此外，在极低温下，固体材料的热容极小，很少的漏热即会使温度上升很多，在顺磁盐绝热去磁中，漏热要减小到约0.1µW。对于核绝热去磁，最大的漏热约为1nW。

【图1】绝热退磁制冷

 8.  激光制冷

一般来说,激光制冷的物质处于蒸汽团(现在也有一些前沿小组能把氟化物等固体制冷，但都是出于真空状态)。在蒸汽状态下,温度是指分子运动速度快慢,如果分子/原子蒸汽团的运动速度为0,则达到绝对零度.所以激光致冷的物理意义即把分子/原子蒸汽团的运动速度降低。(kB为玻尔兹曼常数，T是热力学温度，等式左边为分子平均动能) 

（1）当原子静止不动时，由于激光的频率稍低，原子无法吸收光子，无影响。

（2）当原子与激光运动方向相同时，由于多普勒效应，原子感受到的频率红移，更加无法吸收光子，也无影响。

（3）当原子与激光相向运动时，由于多普勒效应，原子吸收光子，速度减慢，再向任意方向辐射一个光子，经过这个过程后原子速度减慢。

这个过程有两个结论：原子只能吸收相向运动的光子，而相同方向运动的光子无法被吸收，即无法被加热。在最终向任意方向释放光子后会有反冲动量，因此使用多普勒冷却会存在反冲极限。

通过对常见制冷方法的学习可以看到要达到不同的温区，可以采用不同的制冷方法。