Magnetische Kühlung

Die magnetische Kühlung (Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung) ist eine Methode der Tieftemperaturphysik, mit der kleine Materialmengen auf Temperaturen unter 1 mK (Millikelvin) gekühlt werden können. Sie dient vor allem der Grundlagenforschung.

Theorie

Die magnetische Kühlung basiert auf der Temperaturabhängigkeit in der Ordnung (der Entropie) der magnetischen Momente des verwendeten Materials. Dabei können sowohl die magnetischen Momente der Elektronen (wie bei der adiabatischen Entmagnetisierung paramagnetischer Salze) als auch Kernmomente (siehe adiabatische Kernentmagnetisierung) genutzt werden.

Bei hohen Temperaturen ist die thermische Energie größer als die Wechselwirkungsenergie der magnetischen Momente, die dadurch völlig ungeordnet sind. Entspricht die Größe der beteiligten Momente einem Drehimpuls J, ergibt sich eine konstante Entropie S

$S=R\ln \left(2J+1\right)$

pro Mol, wobei R die allgemeine Gaskonstante bezeichnet. Sinkt bei tiefen Temperaturen die thermische Energie unter die Wechselwirkungsenergie der magnetischen Momente, beginnen diese, sich zu ordnen; die Entropie sinkt entlang der gestrichelten Linie der schematischen Darstellung. Bei Anwesenheit eines Magnetfeldes $B_{1}$ wird eine Vorzugsrichtung festgelegt und die Ordnungstemperatur angehoben (Punkt A nach Punkt B). Zunächst wird dadurch pro Mol die Wärme

$\Delta Q=T_{1}\left[S\left(0,T_{1}\right)-S\left(B_{1},T_{1}\right)\right]$

freigesetzt, die mit geeigneten Maßnahmen abgeführt werden muss. Im Allgemeinen geschieht diese Vorkühlung mit Hilfe der ³He-⁴He-Entmischungskühlung. Wird das Magnetfeld anschließend unter thermischer Isolation (adiabatisch) gesenkt, bedingt der Ordnungszustand eine entsprechend tiefere Temperatur $T_{2}$ (Punkt C):

$T_{2}=T_{1}\cdot {\sqrt {\frac {B_{2}^{2}+b^{2}}{B_{1}^{2}+b^{2}}}}\approx {T_{1} \over B_{1}}\cdot {\sqrt {B_{2}^{2}+b^{2}}}$

Die erreichbare Temperatur $T_{2}$ ist dabei limitiert durch das innere Feld b, welches durch die Wechselwirkungen der magnetischen Momente selbst hervorgerufen wird. Diese können für $B_{2}\rightarrow 0$ nicht vernachlässigt werden. Die Größe des internen Feldes $b$ kann für paramagnetische Salze (siehe unten) aus der Néel-Temperatur bestimmt werden.

Anwendungen

Adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze

Die Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung paramagnetischer Salze (z. B. von Cermagnesiumnitrat / CMN) war die erste Methode, mit der Temperaturen im Bereich von einigen Millikelvin (10⁻³ K) erreicht werden konnten. Sie wurde bereits 1926 von Debye bzw. 1927 durch Giauque vorgeschlagen und nutzt die magnetischen Momente der Elektronen. Die Methode wurde jedoch seit der Entwicklung der ³He-⁴He-Entmischungskühlung weitgehend abgelöst, da diese im Gegensatz zur magnetischen Kühlung kontinuierlich arbeitet.

Denkbar ist auch, die adiabatische Entmagnetisierung von Substanzen in der Nähe des Curie-Punktes zu verwenden. So soll es prinzipiell möglich sein, durch adiabatische Entmagnetisierung von Gadolinium (Curie-Punkt: 16 °C) Kühlgeräte zu bauen, die ohne umweltschädliches FCKW und ohne mechanische Teile auskommen. In den 1990er Jahren wurden billigere geeignete Metalllegierungen ohne Gadolinium entdeckt. 2015 wurde ein Kühlschrank mit einem magnetokalorischen Metallsalz (Metamagnet) auf Basis einer Mangan-Eisen-Phosphor-Silizium-Legierung auf einer Verbrauchermesse präsentiert. Magnetokalorische Wärmepumpen versprechen wohl einen weitgehend geräuschlosen Betrieb und um 25 % geringeren Energieverbrauch als die herkömmliche Kältekompressortechnik.

Adiabatische Kernentmagnetisierung

Die Kühlung durch adiabatische Kernentmagnetisierung, bei der die magnetischen Momente der Atomkerne genutzt werden, ist nach wie vor die einzige Methode, mit der ein Festkörper auf deutlich unter 1 Millikelvin gekühlt werden kann - es werden dabei Temperaturen im µKelvin-Bereich erreicht. Die geringe Größe der Kernmomente (ca. 1/2000 derer von Elektronen) macht eine Vorkühlung auf einige Millikelvin und hohe Magnetfelder im Bereich von mehreren Tesla erforderlich.

Siehe auch

• Magnetokalorischer Effekt