Здавалка
Главная | Обратная связь

Свойства парамагнитных солей.



Выбор парамагнитной соли для эксперимента определяется в основном областью температур, в которой требуется провести исследование. Идеальным вариантом была бы возможность охладить соль и образец, предназначенный для исследований, до самой низкой температуры, начиная размагничивание от Тi=1К и Вi=1Т. В этом случае можно было бы обойтись без ступени охлаждения с помощью Не3 и довольно высоких магнитных полей, получаемых с помощью сверхпроводящих магнитов. Другая приемлимая возможность заключается в следующем: кроме нескольких энергетических уровней имеются энергетические состояния, расположенные намного выше уровней мультиплета, так что при низких температурах они не заселены. Кроме того соль должна обладать довольно высокой теплоёмкостью в нулевом магнитном поле, по крайней мере на нижнем конце температурной области, представляющей интерес для данного эксперимента, так, чтобы система оставалась холодной в течении достаточно длительного времени, несмотря на неизбежный приток тепла извне.

Если нет необходимости достичь минимальной температуры, которую можно получить с помощью данной соли, то можно повысить теплоёмкость соли, которая пропорциональна Т(dS/dT) прекратив размагничивание при значении внешнего магнитного поля Вf отличном от нуля. Этот метод эквивалентен выбору соли с большой величиной поля взаимодействия b. Для работы при относительно “высоких температурах” могут быть выбраны марганцево-аммониевый сульфат [MnSO4(NH4)2SO46H2O], для которого b=0.08T (Q=0.1K), или железо-аммониевые квасцы [Fe2(SO4)3(NH4)2SO424H2O] c b=0.05T (Q=50мK).

До сих пор мы не говорили о природе сил взаимодействия между магнитным диполем и его окружением. Эти силы определяют поведение парамагнитных солей при низких температурах в отсутствии внешнего магнитного поля и слабых полях. Это взаимодействие складывается из нескольких компонентов, имеющих различную природу. Во-первых, электроны на частично заполненных оболочках парамагнитного иона подвергаются действию электрических полей, порождаемых окружающими ионами. Это влияние, которое, естественно, зависит от типа кристаллической структуры, приводит к штарковскому расщеплению энергетических уровней. Во-вторых, между парамагнитными ионами существует магнитное обменное и диполь-дипольное взаимодействия.

Эффект Штарка проявляется несколько по разному в элементах группы железа и в редкоземельных элементах. Частично заполненные 3d-оболочки ионов группы железа подвергаются действию интенсивного электрического поля соседних атомов, что приводит к очень сильному взаимодействию. Верхние орбитальные уровни отделены от основного уровня энергией, соответствующей e/k=15000K, и при обычных температурах совершенно не заселены; таким образом, орбитальный угловой момент заторможен. Для этих элементов полный угловой момент J должен быть заменён спиновым квантовым числом S (не путать с энтропией!). Тогда степень вырождения самого нижнего орбитального уровня равна 2S+1, фактор Ланде изотропен и по величине близок к g=2 (g-фактору свободного электрона), за исключением тех случаев, когда приходиться учитывать эффекты второго порядка.

Через спин-орбитальную связь внутренее электрическое поле (штарковское) может по крайней мере частично понизить степень вырождения самого нижнего орбитального уровня, равную 2S+1, но поскольку это эффект второго порядка, расстояние между получившимися уровнями в температурных единицах (e/k) составляет только 0,1-0,3К. В соответствии с теоремой Крамерса электрическое поле способно полностью снять вырождение в том и только в том случае, если 2S+1 есть величина нечётная. Поскольку очевидно, что синглетный основной уровень соответствует отсутствию парамагнетизма, то ионы группы железа даже с чётным числом электронов на 3d-оболочке не могут использоваться для магнитного охлаждения. Если величина 2S+1 чётная, то электрическое поле не может полностью снять вырождение, по крайней мере дублетная структура уровней остаётся. Поэтому ионы с нечётным числом электронов можно использовать для магнитного охлаждения.

В солях марганца и железа вклад орбитального момента в полный угловой момент равен нулю, поэтому J=S=5/2. То же самое справедливо для солей гадолиния с J=S=7/2. Эти ионы часто используются для магнитного охлаждения, хотя схема энергетических уровней в нулевом поле у них очень сложна.

В нулевом внешнем поле в результате магнитного обменного и диполь-дипольного взаимодействия полностью снимается двукратное вырождение самого нижнего спинового дуплета. Обычно энергия этих взаимодействий порядка Q=10-30мК, где Q-характеристическая температура, при которой величина dS/dT достигает своего максимального значения и ниже которой соль становится ферро- или антиферромагнетиком. Обменные силы быстро убывают с увеличением расстояния между диполями. На практике это достигается разбавлением соли эквивалентными, но немагнитными ионами; при этом величина Q уменьшается.

Парамагнитные соли: хромо-калиевые квасцы (ХКК) [Cr2(SO4)3K2SO424H2O] и церий-магниевый нитрат (ЦМН) [2Ce(NO3)33Mg(NO3)224H2O] подробно исследовались и часто применяются для магнитного охлаждения.

Последнее время большое внимание уделяется исследованию свойств ЦМН, что связано с широким использованием этой соли и для магнитной термометрии, и для получения температур в нижней части миллиградусного диапазона.

Ещё более низкие температуры в принципе можно получить с помощью разбавленных солей. На основе исследований теплоёмкости таких солей Абрагам, Брандт, Экстейн, Кеттерсон, Кушнир, и Роач заключили, что если заменить 90% ионов церия немагнитными ионами лантана, то возможно будет достичь температуры 0.7мК. К сожалению теплоёмкость и холодопроизводительность соли уменьшаются в той же пропорции.

В экспериментах часто вместо монокристаллов используется порошкообразный ЦМН. Это делается для улучшения теплового контакта с солью.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.