адіабатичне

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • Питома теплоємність YbPt 2 Sn
  • Ентропія та MCE
  • обговорення
  • методи
  • Підготовка матеріалу
  • Теплоємність
  • Комплекти ADR
  • Детальніше
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • відео
  • Додатковий фільм 1
  • Коментарі

предметів

  • Прикладна фізика
  • Магнітні властивості та матеріали

реферат

В даний час адіабатичне розмагнічування набуває значного інтересу до пошуку альтернатив 3 холодильним технікам на основі He для досягнення температур нижче 2 К. Основними причинами є недавній дефіцит і висока вартість рідкісного ізотопу гелію 3 He. Тут ми представляємо відкриття великого магнітокалорійного ефекту в інтерметалідній сполуці YbPt 2 Sn, що дозволяє адіабатичному розмагнічуванню охолоджувати від 2 К до 0,2 К. Ми демонструємо це за допомогою домашнього холодильника. Інші матеріали, такі як парамагнітні солі, зазвичай використовуються для тих же цілей, але жоден не є металевим, що є суворим обмеженням для низькотемпературних застосувань. YbPt 2 Sn - хороший метал з надзвичайно рідкісною слабкою магнітною зв'язкою між атомами Yb, що запобігає їх перевищенню до 0,25 К, завдяки чому залишається достатня ентропія для використання при адіабатичному розмагнічуванні. Велика об'ємна ентропійна потужність YbPt 2 Sn також гарантує хороші показники охолодження.

Використання 3 Розташоване в різних областях медичного застосування, військових цілей та наукових досліджень. У науці та техніці 3 є одним із найважливіших компонентів для досягнення дуже низьких температур 4 або для виявлення радіоактивності 1. Сьогодні ми переживаємо скорочення поставок для різних потреб і дуже високі витрати на чистий 3 He: Наприклад, фізики з низькою температурою вимагали між 2004 і 2010 рр. Лише 1,3% від наявного 3 He, а ціна зросла в рази 15 (посилання 2, 3). До цього обмеження 3 He були основними споживачами, оскільки температури нижче 0,3 K і нижче здебільшого досягалися системами розведення 3 He та 3 He/4 He. Враховуючи, що 3 було отримано лише як побічний продукт від розпаду тритію в запасах ядерної зброї або ядерних реакторах, глобальна угода про скорочення цих потужностей все ще діє, здається малоймовірним, що плавне постачання 3 He відбудеться в майбутнє. Як результат, ми тепер зобов’язані шукати альтернативи, щоб обійти цю кризу.

Ідеальні МКМ для низькотемпературних застосувань повинні бути виготовлені з магнітних атомів, що знаходяться у виродженому парамагнітному стані до найнижчої температури в нульовому магнітному полі. Тоді він повинен мати велику об'ємну ентропічну здатність для хорошої потужності охолодження. Крім того, бажано, щоб він був металевим, а не надпровідним для досягнення кращої теплопровідності та простоти обробки. Нарешті, з часом воно не повинно погіршуватися. До цього часу більшість матеріалів, що використовуються при температурах нижче 2 К, відповідали лише першим двом вимогам 7, але складні модифікації є обов’язковими для того, щоб відповідати нормам експлуатації: Для захисту MCM та достатнього теплового контакту ці неметалічні MCM повинні бути підготовлені всередині посудина зі спеціальними металевими конструкціями.

У цій роботі ми демонструємо, що металева сполука YbPt 2 Sn, яка відповідає всім вищезазначеним припущенням щодо MCM при низьких температурах. Ми виміряли питому теплоємність C (T, B) полікристалічного YbPt2 Sn20 до температури T = 0,05 K та магнітного поля B до 7 T, використовуючи метод компенсованого теплового імпульсу 21. Ентропія S (T, B), перетворена з C (T, B), використовується для оцінки MCE та мінімальної температури, доступної для адіабатичного розмагнічування, результатами якої є 3 He-кріостат.

результат

Питома теплоємність YbPt 2 Sn

( a ) T - залежність питомої теплоємності YbPt2 Sn, поділеної на температуру C/T при різних магнітних полях у подвійній логарифмічній кривій. Порожні та тверді символи - це дані, отримані із застосуванням стандартного 4 He-кріостата та холодильника для розведення. Прямі лінії підкреслюють збільшення C/T на 1/T2 через сильні коливання та типову залежність C/T 1/T3 для високої температури сторони ядра Шотткі. T m = 0,25 K вказує на початок короткого діапазону магнітного розташування. b ) 4f - внесок електрона C4 f/T (жовті символи) у загальну питому теплоємність C/T (чорні символи) при B = 0 після вирахування провідного електронного вкладу γ = 0,03 JK −2 моль −1 та ядерного внеску α n/T3 з α n = 5, 8 мДж K моль -1 (див. Додаткову рисунок 1 та додаткову примітку 1). Жовта область під кривою C4f/T проти T - це ентропія, що виділяється до 4 K, S4f (4K) ≈R1n2, максимальна ентропія для основного стану дублету. ( c ) C4f/T проти T при B = 0, 0, 5, 1, 5, 4 і 7 T.

Повнорозмірне зображення

При T JK2-2 моль -1 і α = 5, 8 мДж K моль -1 (жовті символи). Тепер, коли ми оцінюємо 4f-електронну ентропію S 4f з інтегралу C4f/T між 0,06 і ​​4K (порівняйте жовту область на малюнку 1b), ми отримуємо саме R ln2, максимальну ентропію для основного стану дублету. Збільшення поля призводить до зсуву цієї ентропії до більш високого T, як показано на малюнку 1c (кольорові ділянки), що індукує MCE, після чого ми.

Ентропія та MCE

Інтегруючи C4f/T для всіх полів, ми можемо отримати цілу 4f-електронну ентропію S4f (T, B). Для дослідження корисних адіабатичних шляхів ми створили діаграму площ, що інтерполює криві S4f (T, B), що показано на малюнку 2а. Як результат, кольорова поверхня чітко демонструє чудовий MCE: Ізотермічне придушення ентропії (чорна стрілка) з подальшим ізентропним слідом (червона стрілка) дозволяє знижувати температуру. T i і T f позначають початкову і кінцеву температуру. Те саме показано на фіг. 2b, тобто проекція даних на площину S - T. На малюнку 2c ми побудували очікуваний Tf YbPt2 Sn як функцію Tj, зазначену на малюнку 2a. Dolné T i dolné T f. Tf далі зменшується, оскільки ми придушуємо ентропію сильнішим полем. Буде зрозуміло, що цей матеріал завжди можна охолодити нижче 0,2 К у відповідному діапазоні Т і В для стандартного 4 He-кріостата та надпровідного магніту. Це пояснюється тим, що перехід в Tm не зменшує великої ентропії, і MCE дозволяє системі охолоджуватися нижче Tm. Хоча теорія передбачає, що слід охолоджувати значно нижче 0,2 К, в реальних експериментах (див. Нижче та додаткову рисунок 3) було досягнуто лише температури трохи нижче 0,2 К.

( a ) Колірна карта 4f-електронної магнітної ентропії, S4f (T, B) = (C4f/T) dT, YbPt2 Sn. Суцільні чорні лінії обчислюються на основі виміряного C4f (T, B)/T, а кольорова поверхня - шляхом інтерполяції даних. Регіони одного кольору є ізотропними. Чорна стрілка вказує на придушення ізотермічної ентропії, а червона стрілка - на адіабатичне розмагнічування, яке виявляє чистий MCE. b ) Проеціювання даних на площину S - T. Сіра лінія позначає Rn2, що є ентропією насичення дублету в основному стані. c ) Початкова температура T i залежність кінцевої температури Tf для різних адіабатичних слідів або ізоцентрових контурів.

Повнорозмірне зображення

Стіл в натуральну величину

a ) Вимірювання MCE з використанням квазіадіабатичного розмагнічування. Температура стовпчика злитка YbPt 2 Sn (фото), колонка Т, показана для різних шляхів. Поточний рекорд найнижчої температури становить 0,19 К, яка була досягнута від 6 Т до 1,45 К. З 4 Т і 1,75 К досягнуто 0,22 К, а через кілька годин температура піднялася до 0,26 К. З цього моменту колонку намагнічували до 2 Т і витримували протягом 1 години, перш ніж знову намагнічувати. Стрілки біля кожного вимірювання вказують напрямки витягування, а швидкість витягування також вказується поблизу. Майже лінійна поведінка вимірюваного стовпа Т (B), виділеного прямими лініями, є свідченням парамагнітного MCE. ( b ) Збільшення Т-стовпа з часом: приблизно 0, 01 Kh −1. ( c ) колонка злитка (10 г) YbPt 2 Sn.

Повнорозмірне зображення

обговорення

Вищезазначені виняткові властивості YbPt 2 Sn дозволили нам побудувати ADR з металевим MCM, який функціонує нижче базової температури 3 He-кріостата. Цей матеріал може бути легко відформований у різні форми і безпосередньо прикріплений до охолоджуючої мішені без будь-яких ускладнень. Це хороший метал, і для теплопровідності не потрібні інші металеві конструкції, на відміну від парамагнітних солей або гранатів, які є дуже поганими теплопровідниками. Ми сподіваємось, що наше відкриття прискорить фізикам за низьких температур порятунок від кризи, що триває.

методи

Підготовка матеріалу

Незважаючи на високий тиск пари металів Yb, YbPt2 Sn можна легко приготувати в стандартній дуговій плавильній печі, спочатку реагуючи Yb з низьким плавленням Sn, а потім додаючи Pt. Деталі наведені в посиланні 20. Колону, яка використовувалась для збору ППМС (див. Додаткову рисунок 2), та стрижень для вітчизняного АДР отримували литтям попередньо прореагованого YbPt 2 Sn у відповідну форму у дуговій плавильній печі та комерційній високочастотній системі лиття (див. Додатковий фільм 1).

Теплоємність

Вимірювання теплоємності проводили в розріджувальному холодильнику (Oxford Instruments) для температур 0,05 Т 4 К і магнітного поля В до 7 Т, використовуючи метод компенсованого теплового імпульсу, описаний у посиланні. 21. Для T> 2 K вимірювання проводили в 7 T PPMS.

Комплекти ADR

Для тестування охолодження та MCE YbPt 2 Sn ми побудували дві різні системи охолодження. Один слідує стандартній структурі комерційного ADR, оснащеного механічним тепловим вимикачем, а другий - простий мініатюризований варіант без теплового вимикача, який може бути використаний у комерційному ППМС, як показано на Додатковому малюнку 2. ми модифікували кріостат із горщиком 1 K. Фаза зразка (тонкий латунний диск) кріпиться під посудиною 1 К за допомогою пари соломинок Каптона і знаходиться в зоні компенсації поля розсіювання надпровідного магніту. Нижче цього етапу два тонкі латунні стержні протягнуті в центр магніту з протилежних країв етапу зразка, а кінець кожного стрижня з'єднаний перпендикулярно кожному плечу латунної частини "Φ". Вага цільної латуні становить близько 30 г. Колонка злитка YbPt 2 Sn, показана на фіг. 3c затиснуто посередині цього тонкого металевого шматка. Для активації механічного термоперемикача використовується ручне управління за допомогою поштовху. Детальніші відомості та технічні характеристики цієї угоди будуть надані в іншому місці.

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Jang, D. та ін. Великий магнітокалорійний ефект та адіабатичне розмагнічування, охолодження з YbPt 2 Sn. Нат. Комун. 6: 8680 doi: 10, 1038/ncomms9680 (2015).

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові рисунки 1-3, додаткові примітки 1-3 та додаткові посилання

відео

Додатковий фільм 1

Приготування металевого магнітокалорійного матеріалу YbPt 2 Sn. Новий магнітокалорійний матеріал YbPt 2 Sn відливають у стрижень у холодному тиглі. Сильне високочастотне (ВЧ) магнітне поле індукує великі електричні струми в заздалегідь прореагованих шматочках YbPt 2 Sn, які нагрівають їх і дозволяють плавитися, а охолоджуваний водою мідний тигель залишається холодним. Обертання високочастотного генератора дозволяє розплаву розплавитися в циліндричну форму під тиглем.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.