способ измерения сверхнизких температур

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, включающий измерения разонансных частот и интенсивностей линий спектра ядерного квадрупольного резонанса активного элемента, отличающийся тем, что в качестве активного элемента используют магнитоупорядоченные соединения, содержащие квадрупольные ядра, на которых наблюдают спектры ЯКР, измеряют резонансные частоты и отношения интенсивностей линий спектра ЯКР, обусловленных переходами m _ (m+1) во внутреннем магнитном поле, где m магнитное квантовое число, и по полученным значениям судят о величине температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике и технике сверхнизких температур (микро- и миллиградусной области абсолютных температур), и может найти применение в научном эксперименте, например, при исследовании сверхпроводимости.

Известен способ измерения сверхнизких температур до 1 К, основанный на радиоспектроскопических методах, в частности на стационарном и импульсном методах ЯМР измерения намагниченности ядерной спин-системы активного элемента, содержащего магнитные ядра, путем измерения амплитуд сигналов ЯМР и их зависимости от температуры по закону Кюри [1] Термометры, основанные на этом способе измерений, является вторичными термометрами, работающими в миллиградусном диапазоне (до 10 мК). Точность измерения по такому способу и, следовательно, чувствительность термометров (Т/Т) невелика, что связано с погрешностями измерения амплитуд сигналов, зависящих от многих факторов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения сверхнизких температур в микро- и миллиградусном диапазоне, включающий измерения амплитуд и резонансных частот сигналов ядерного квадрупольного резонанса активного элемента, содержащего квадрупольные ядра с большими полуцелыми спинами и помещенного в слабое магнитное поле [2] В кристаллических образцах внешнее магнитное поле вызывает расщепление энергетических уровней и появление в спектрах ЯКР дублетных сигналов, измерение амплитуд и частот которых позволяет определять температуру. В качестве активных элементов использовались: металлическая сурьма Sb и монокристаллический ICl.

Основным недостатком указанного способа является относительная сложность и недостаточная точность измерений. Сложность известного способа связана с необходимостью использования стабилизированного постоянного внешнего магнитного поля для создания тонкой структуры спектров ЯКР, величина которого определяется диапазоном частот ЯКР активного элемента, наблюдаемыми резонансными переходами, гиромагнитным отношением и спином квадрупольного ядра. Кроме того, способ измерения температуры связан с необходимостью измерения величины внешнего магнитного поля в случае использования поликристаллических образцов и угловой ориентации поля в случае применения в качестве активного элемента монокристаллов. Измерение этих параметров вносит значительную погрешность в определение величины температуры.

Задачей изобретения является разработка такого способа измерений сверхнизких температур, который бы наиболее просто позволил повысить точность и расширить диапазон измерений.

Задача достигается тем, что согласно способу измерения сверхнизких температур, включающему измерения резонансных частот и интенсивной линий спектра ядерного квадрупольного резонанса активного элемента, в качестве активного элемента используют антиферромагнитные соединения, содержащие квадрупольные ядра, на которых наблюдают спектры ЯКР, измеряют резонансные частоты и отношения интенсивностей линий спектра ЯКР, обусловленных переходами m _ (m + 1) во внутреннем магнитном поле, где m магнитное квантовое число, и по полученным значениям судят о величине температуры.

К антиферромагнитным соединениям, содержащим квадрупольные ядра, на которых наблюдаются спектры ЯКР, относятся металлооксидные соединения, которые ниже температуры Нееля проявляют магнитоупорядоченные свойства, т. е. в них имеются внутренние магнитные поля, расщепляющие спектр ЯКР с полуцелым спином большим или равным 3/2. Например, в купрате лантана La₂CuO₄ на ядрах меди и лантана действуют внутренние магнитные поля, создаваемые электронными оболочками атомов меди и исчезающие при температуре выше 245 К. На ядрах ¹³⁹La (спин 7/2) при низких температурах действует внутреннее магнитное поле 1000 Э, которое приводит к расщеплению энергетических уровней _m и появлению тонкой структуры спектров.

На фиг. 1 представлены энергетические уровни квадрупольных ядер со спином 7/2 во внутреннем поле (Н_вн0) и частоты ₊=_{-m_-(m+1)}и _-=_{m_(m+1)} линий спектра, по которым определяется величина температуры.

На фиг. 2 показан вид спектра, по частотам и интенсивностям линий, обусловленных переходами -m_-(m+1) и m_(m+1), определяют температуру. При сверхнизких температурах (Т << 1 К) отношение интенсивностей линий ₊ и _- определяется по формуле

e где I₊ и I_- интенсивности линий спектра с частотами ₊ и _-, соответственно; к константа Больцмана; h постоянная Планка. Расщепления _m определяются по измеренным частотам спектра.

На фиг. 3 показаны графические температурные зависимости отношений интенсивностей линий для переходов m_(m+1)в случае использования в качестве активного элемента La₂CuO₄. Кривая 1 отношение интенсивностей I₂:I₃, соответствующих частотам ₂ и ₃; 2 I₆:I₅; 3 I₈:I₇. Для расчета по приведенным формулам использованы резонансные частоты ЯКР _i, полученные при 1,3 К ₁ 5,34; ₂ 5,71; ₃ 7,72; ₄ 8,10; ₅ 12,59; ₆ 12,82; ₇ 19,01; ₈ 19,26 МГц.

Использование отношений интенсивностей близких по резонансным частотам линий позволяет избежать необходимости калибровки усиления спектрометра, поддерживать стабильность в широком диапазоне частот, регистрировать оба сигнала одной радиочастотной катушкой, что не требует внесения поправок. В данном способе отпадает такая операция, как определение величины и ориентации внутреннего магнитного поля, которые одинаковы для всех кристаллитов. При этом существенно повышается точность измерения Т, которая зависит лишь от точности измерения резонансных частот и отношения интенсивностей линий дублетов. Из графиков фиг. 2 видно, что рабочим диапазоном измерения температуры является участок линейной зависимости отношения интенсивностей от Т, которые различаются при использовании разных дублетов как по местоположению в шкале температур, так и по ширине диапазона. Варьирование диапазона измеряемых температур может быть осуществлено путем использования в качестве активного элемента других соединений как из класса металлооксидных соединений, так и других типов магнитоупорядоченных веществ с внутренним магнитным полем. Могут быть использованы следующие уже исследованные методом ЯКР соединения: La₂NiO₄, La₂CO₄, Bi₂CuO₄ и др. Объемы веществ, требующихся для получения сигналов ЯКР с достаточно высоким значением отношения сигнал/шум при сверхнизких температурах, составляют порядка 1-10^-3 см³.