- elemeket
- absztrakt
- bevezetés
- az eredmény
- Fajlagos hő YbPt 2 Sn
- Entrópia és MCE
- vita
- mód
- Anyag előkészítése
- Hőkapacitás
- ADR készletek
- További részletek
- További információ
- PDF fájlok
- További információ
- videók
- Kiegészítő film 1
- Hozzászólások
elemeket
- Alkalmazott fizika
- Mágneses tulajdonságok és anyagok
absztrakt
Az adiabatikus demagnetizálás jelenleg nagy érdeklődést mutat abban, hogy alternatívákat találjon 3 He-alapú hűtéstechnikának a 2 K alatti hőmérséklet elérése érdekében. Ennek fő oka a ritka 3 He hélium-izotóp közelmúltbeli hiánya és magas költsége. Itt bemutatjuk egy nagy magnetokalorikus hatás felfedezését az YbPt 2 Sn intermetallikus vegyületben, amely lehetővé teszi az adiabatikus demagnetizációs hűtést 2 K-ról 0,2 K-ra. Ezt otthoni hűtőszekrény segítségével mutatjuk be. Más anyagokat, például a paramágneses sókat, általában ugyanarra a célra használnak, de egyik sem fém, ami szigorú korlátozás az alacsony hőmérsékletű alkalmazásoknál. Az YbPt 2 Sn jó fém, rendkívül ritka, gyenge mágneses kapcsolással rendelkezik az Yb atomok között, ami megakadályozza őket 0,25 K feletti értékben, így elegendő entrópia marad az adiabatikus demagnetizációs hűtéshez. A nagy térfogatú entrópikus kapacitás, az YbPt 2 Sn, szintén jó hűtési teljesítményt garantál.
Használat 3 Az orvosi alkalmazások, katonai célok és tudományos kutatások különböző területein található. A tudományban és a technológiában a 3 az egyik alapvető eleme a nagyon alacsony hőmérséklet elérésének 4 vagy a radioaktivitás 1 kimutatásának. Ma tapasztalhatjuk a kínálat rövidülését a különböző igények és a tiszta 3 He nagyon magas költségei miatt: Például az alacsony hőmérsékletű fizikusok 2004 és 2010 között csak a rendelkezésre álló 3 He 1, 3% -át követelték, és az ár 15. (2., 3. hivatkozás). Ezt a korlátozást megelőzően 3 He volt a fő fogyasztó, mivel a 0,3 K alatti és alacsonyabb hőmérsékleteket többnyire a 3 He és 3 He/4 He hígító hűtőszekrényi rendszerek érték el. Tekintettel arra, hogy a 3-at csak a trícium bomlásának melléktermékeként nyerték el atomfegyver-készletekben vagy nukleáris reaktorokban, e létesítmények csökkentésére vonatkozó globális megállapodás még mindig hatályos, valószínűtlennek tűnik, hogy a 3 a jövő. Ennek eredményeként most kötelesek vagyunk alternatívákat keresni a válság megkerülésére.
Az alacsony hőmérsékletű alkalmazásokhoz ideális MCM-eket olyan mágneses atomokból kell készíteni, amelyek degenerált paramágneses állapotban vannak, a nulla mágneses mezőben a lehető legalacsonyabb hőmérsékletig. Ezután nagy térfogatú entrópikus kapacitással kell rendelkeznie a jó hűtőerő érdekében. Ezenkívül előnyös, ha fémes és nem szupravezető a jobb hővezetés és az egyszerű megmunkálás érdekében. Végül az idő múlásával nem romolhat. Eddig a 2 K alatti hőmérsékleten felhasznált anyagok többsége csak az első két követelményt teljesítette 7, de a kifinomult módosítások kötelezőek a működési normák teljesítéséhez: Az MCM védelem és a megfelelő hőérintkezés érdekében ezeket a nem fémből készült MCM-eket egy speciális fémszerkezetű edény.
Ebben a cikkben bemutatjuk, hogy az YbPt 2 Sn fémvegyület, amely alacsony hőmérsékleten megfelel az MCM összes fenti feltételezésének. Megmértük a polikristályos YbPt2 Sn20 fajlagos C (T, B) hőteljesítményét T = 0,05 K hőmérsékletig és a B mágneses terét 7 T T hőmérsékletig a kompenzált hőimpulzus 21 módszerrel. A C (T, B) -ből átalakított S (T, B) entrópiát használjuk az MCE és az adiabatikus demagnetizáláshoz elérhető minimális hőmérséklet megbecsülésére, amelynek eredményei 3 He-kriosztát.
az eredmény
Fajlagos hő YbPt 2 Sn
( a ) T - az YbPt2 Sn fajlagos hőkapacitás függvénye osztva a C/T hőmérséklet különbözõ mágneses mezõknél kettõs logaritmikus görbében. Az üres és a szilárd szimbólumok standard 4 He-kriosztát és hígító hűtőszekrény alkalmazásával nyert adatok. Az egyenes vonalak kiemelik a C/T 1/T2 növekedését az erős ingadozások és a Schottky mag magas hőmérsékletű oldalán jellemző C/T 1/T3 függőség miatt. T m = 0,25 K a rövid hatótávolságú mágneses elrendezés kezdetét jelzi. b ) 4f - az elektron C4 f/T (sárga szimbólumok) hozzájárulása a teljes fajlagos hőhöz C/T (fekete szimbólumok) B = 0-nál a vezető elektron-hozzájárulás γ = 0,03 JK −2 mol −1 és a nukleáris hozzájárulás α n/levonása után T3 α n = 5, 8 mJ K mol -1 értékkel (lásd az 1. kiegészítő ábrát és az 1. kiegészítő megjegyzést). A C4f/T görbe alatti T területhez viszonyított sárga terület a 4 K, S4f (4K) ≈R1n2 felszabadult entrópia, a duplett alapállapot maximális entrópiája. ( c ) C4f/T versus T, B = 0, 0, 5, 1, 5, 4 és 7 T értéknél.
Teljes méretű kép
T JK2-2 mol -1 és α = 5 esetén 8 mJ K mol -1 (sárga szimbólumok). Most, amikor kiértékeljük a 4f-elektron S4f entrópiát a C4f/T integrálból 0,06 és 4K között (hasonlítsuk össze az 1b. Ábra sárga területét), pontosan Rln2-t kapjuk, a duplett alapállapot maximális entrópiáját. A mező nagyítása ennek az entrópiának az elmozdulásához vezet egy magasabb T-hez, amint az 1c. Ábrán látható (színes területek), amely indukálja az MCE-t, ami után.
Entrópia és MCE
A C4f/T összes mezőbe történő integrálásával kinyerhetjük a teljes 4f-elektron entrópiát S4f (T, B). A hasznos adiabatikus utak vizsgálatához létrehoztunk egy területi diagramot, amely interpolálja az S4f görbéket (T, B), amelyet a 2a. Ábra mutat be. Ennek eredményeként a színes felület egyértelműen figyelemre méltó MCE-t mutat: Az entrópia (fekete nyíl) izoterm elnyomása, amelyet izentropikus nyom követ (piros nyíl), lehetővé teszi a hőmérséklet csökkentését. T i és T f az indulási és a véghőmérsékletet jelöli. Ugyanez látható a 2. ábrán. A 2b. Ábrán ábrázoltuk a várható Tf YbPt2 Sn értéket a 2a. Ábrán feltüntetett Tj függvényében. Dolné T i dolné T f. A Tf tovább csökken, mivel erősebb mezővel elnyomjuk az entrópiát. Nyilvánvaló, hogy ez az anyag mindig 0,2 K alá hűthető a T és B megfelelő tartományában egy standard 4 He-kriosztát és egy szupravezető mágnes esetében. Ez azért van, mert a Tm-ben történő átmenet nem csökkenti az entrópiát, és az MCE lehetővé teszi, hogy a rendszer Tm alatt lehűljön. Bár az elmélet azt javasolja, hogy jóval 0,2 K alatti hőmérsékletre lehessen lehűlni, valós kísérletekben (lásd alább és a 3. kiegészítő ábrát) csak kissé 0,2 K alatti hőmérsékletet sikerült elérni.
( a ) A 4f-elektronos mágneses entrópia színtérképe, S4f (T, B) = (C4f/T) dT, YbPt2 Sn. A fekete folytonos vonalakat a mért C4f (T, B)/T értékekből számoljuk, és a színes felületet az adatokból interpoláljuk. Az azonos színű régiók izentrikusak. A fekete nyíl az izoterm entrópia elnyomását, a piros pedig az adiabatikus demagnetizációt jelzi, amely tiszta MCE-t mutat. b ) Az adatok kivetítése az S - T síkba. A szürke vonal Rn2-t jelöl, amely a dublett telítési entrópiája alapállapotban. c ) A Tf kezdeti hőmérséklet T i kezdeti hőmérséklet-függése különböző adiabatikus nyomokon vagy izentropikus kontúrokon.
Teljes méretű kép
Asztal teljes méretben
a ) MCE mérések kváziadiabatikus demagnetizálással. Az YbPt 2 Sn (fotó) T oszlop oszlopának hőmérsékletét a T különböző oszlopokban mutatjuk be. A legalacsonyabb hőmérséklet jelenlegi rekordja 0,19 K, amelyet 6 T-ról 1,45 K-ra értek el. 4 T és 1,75 K értékről 0,22 K értéket értek el, néhány órával később pedig a hőmérséklet 0,26 K-ra emelkedett. az oszlopot 2 T-ig mágnesezzük, és 1 órán át tartjuk, mielőtt újra mágnesezzük. Az egyes mérések melletti nyilak jelzik a húzás irányát, és a vonás sebességét is a közelben jelzik. A mért T-oszlop (B) szinte egyenes vonalakkal kiemelt viselkedése a paramágneses MCE bizonyítéka. ( b ) A T-oszlop növekedése idővel: kb. 0, 01 Kh −1. ( c ) rúdoszlop (10 g) YbPt 2 Sn.
Teljes méretű kép
vita
Az YbPt 2 Sn fenti kivételes tulajdonságai lehetővé tették az ADR felépítését egy fém MCM-mel, amely a 3 He-kriosztát alaphőmérséklete alatt működik. Ez az anyag könnyen különféle formákba formálható, és komplikációk nélkül közvetlenül a hűtő célhoz rögzíthető. Ez egy jó fém, és nincs szükség más fémszerkezetekre a hővezetéshez, ellentétben a paramágneses sókkal vagy a gránátokkal, amelyek nagyon rossz hővezetők. Reméljük, hogy felfedezésünk felgyorsítja a fizikusokat alacsony hőmérsékleten, hogy elkerülje a jelenlegi válságot.
mód
Anyag előkészítése
A magas Yb gőzfémnyomás ellenére az YbPt2 Sn könnyen előállítható egy szokásos ívolvasztó kemencében úgy, hogy először Yb-t alacsony olvadáspontú Sn-vel reagáltatjuk, majd Pt-t adunk hozzá. A részleteket a ref. 20. A PPMS összeállításához használt oszlopot (lásd a 2. kiegészítő ábrát) és a hazai ADR rúdját úgy kaptuk meg, hogy az előre reagált YbPt 2 Sn-t ívbeolvasztó kemencében és egy kereskedelmi nagyfrekvenciás öntőrendszerben megfelelő formába öntjük (lásd: 2. ábra). Kiegészítő film 1).
Hőkapacitás
A hőkapacitás mérését hígító hűtőszekrényben (Oxford Instruments) végeztük 0,05 T 4 K hőmérsékleten és B és 7 T közötti mágneses téren a ref. 21. T> 2 K esetén a méréseket 7 T PPMS-ben végeztük.
ADR készletek
A hűtés és az MCE YbPt 2 Sn tesztelésére két különböző hűtőrendszert építettünk. Az egyik a mechanikus hőkapcsolóval felszerelt kereskedelmi ADR szabványszerkezetét követi, a másik pedig egy egyszerű miniatürizált változat, hőkapcsoló nélkül, amely kereskedelmi PPMS-ben használható, amint az a 2. kiegészítő ábrán látható. módosítottuk a top-1 K potos kriosztátot. A mintafázist (vékony sárgaréz korong) egy Kapton szívószál segítségével rögzítik az 1 K tartály alá, és a szupravezető mágnes szóródási mezőjének kompenzációs zónájában helyezkedik el. E szakasz alatt két vékony sárgaréz rúd húzódik a mágnes közepébe a minta szakaszának ellentétes széleitől, és mindegyik rúd vége merőlegesen csatlakozik a "Φ" alakú sárgaréz rész mindkét karjára. A teljes sárgaréz tömege körülbelül 30 g. Ábrán látható YbPt 2 Sn ingot oszlop. A 3c a vékony fémdarab közepére van rögzítve. A mechanikus hőkapcsoló aktiválásához push-pull kézi vezérlést használnak. A megállapodás további részleteit és specifikációit máshol közöljük.
További részletek
Hogyan idézhetem ezt a cikket: Jang, D. és mtsai. Nagy magnetokalorikus hatás és adiabatikus demagnetizációs hűtés YbPt 2 Sn-vel. Nat. Commun. 6: 8680 doi: 10, 1038/ncomms9680 (2015).
További információ
PDF fájlok
További információ
További 1-3. Ábrák, 1-3. Kiegészítő megjegyzések és további hivatkozások
videók
Kiegészítő film 1
Fémes magnetokaloros anyag előállítása YbPt 2 Sn. Az új magnetokaloros anyagot, az YbPt 2 Sn-t egy hideg tégely rúdjába öntik. Az erős, magas frekvenciájú (RF) mágneses mező nagy elektromos áramokat indukál az YbPt 2 Sn előre reagált darabjaiban, amelyek felmelegítik és megengedik az olvadást, míg a vízhűtésű réztégely hideg marad. A nagyfrekvenciás generátor forgása lehetővé teszi, hogy az olvadék hengeres formává olvadjon a tégely alatt.
Hozzászólások
Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.