극저온 자기냉각

자기 냉각에 사용되는 물질은 자기열량 재료(MCMs)라고 불리며, 외부 자기장의 변화에 따라 온도가 변한다.

 

 

• Gadolinium & Its Alloys (가돌리늄 및 그 합금):
  가돌리늄은 자기적 상변화가 20°C (293 K) 부근에서 일어나기 때문에, 상온용 자기 냉각의 표준 물질로 간주된다.
• Lanthanum-Iron-Silicon Alloys (란타넘-철-실리콘 합금):
  가돌리늄을 대체할 수 있는 경제적이고 유망한 합금으로, 작동 온도를 미세하게 조정하기 위해 수소나 망간을 첨가함
• Manganese-Iron-Phosphorus-Arsenic Alloys (망간-철-인-비소 합금):
  1차 구조 및 자기 상변화 덕분에 상온 근처에서 매우 큰 자기열량 효과가 나타남

외부에서 자기장을 가하면 고체 내부에서 무작위로 배열되어 있던 자기 모멘트들이 일렬로 정렬되면서 열을 방출하고, 재료의 온도가 상승한다. 이때 발생하는 열을 냉각 매체(물이나 헬륨 등)를 이용해 외부로 방출킨다. 이후 자기장을 제거하면 자기 모멘트들이 다시 흐트러지면서 주변의 열을 흡수하여 재료 자체의 온도가 급격히 떨어지게 된다.

 

극저온 자기 냉각 시스템에서 저압의 헬륨 기체는 열 스위치 또는 열 교환 매체 역할을 한다.

보통 열저장체는 단열 용기에 담긴 절대 온도 1K의 액체 헬륨을 쓴다. ( 2 K 이하의 극저온이라 할지라도 헬륨은 압력이 일정 수준 이상이어야 액화되므로, 압력을 극도로 낮춘 저압 상태(진공에 가까운 상태)에서 헬륨은 기체 상태를 유지할 수 있다.)

 

절대영도에 가까운 극저온에서는 대부분의 물질이 얼어붙지만, 헬륨은 기체 상태를 유지하므로 열을 전달할 수 있다.

이 시스템은 기체의 압력을 조절하여 열의 흐름을 스위치처럼 제어한다.

열을 전달할 때 헬륨 기체가 채워져 있으면, 자기장이 가해져 뜨거워진 자기 시료의 열이 헬륨 기체를 타고 열저장체로 빠져나갈 수 있습니다. 반대로 저압의 헬륨 기체를 펌프로 뽑아내어 진공 상태로 만들면 열이 차단되므로, 자기장을 제거했을 때 시료가 주변의 방해 없이 극저온으로 떨어질 수 있게 된다.

---

 

자기 냉각에서는 상자성체를 시료로 주로 사용한다.

 

상자성체는 외부 자기장이 가해지면 자기장과 같은 방향으로 자성을 띠어 자석에 붙지만 외부 자기장이 제거되면 자성이 사라지는 물질이다. 자기냉각(단열소자)에 활용되는 상자성체는 주로 초저온을 구현하기 위한 단열소자 공정에 사용되며, 대표적인 상자성 염(Paramagnetic Salts)과 가돌리늄 기반 물질들이 있다.

 

초저온 구현을 위한 상자성 염은 주로 1K 이하의 극저온을 달성하기 위해 사용되며, 극도로 낮은 온도에서도 상자성 상태를 유지할 수 있도록 자성 이온들이 희석된 구조를 가진다.

 

1K-20K 온도영역에서는 격자 비열이 증가하여 일반 상자성 염의 효율이 떨어지므로, 자성 이온의 밀도가 더 높은 특수 물질(주로 가돌리늄 기반)이 필요하다.

---

 

외부에서 자석의 힘(자기장)을 강하게 주면, 시료(상자성체)가 자성을 띠게 된다(자화).

이때 시료 내부가 깔끔하게 정렬되기 때문에, 엔트로피(무질서도)가 줄어든다. 

이렇게 입자들이 자기장 방향으로 정렬하기 위해서는 시료의 내부 에너지가 증가하여야 하므로 외부 자기장이 시료에 일을 해 주어야 한다. 즉 시료의 내부 에너지가 늘어난다.

 

단열 과정에서는 시료가 열적으로 고립된 상태에서 외부 자기장을 약화시킨다.

이 과정에서 시료는 내부의 입자의 배열이 제멋대로 흐트러져 자성 입자의 자성이 서로 상쇄되는 탈자화를 겪는다. 입자들이 흐트러지며 움직이려면 에너지가 필요한데, 외부와 차단되어 있으니 자기가 가지고 있던 내부 에너지를 써버리게 되는 것이다. 따라서 내부 에너지가 낮은 상태가 되면서 온도가 떨어지게 된다.

 

자기 냉각의 단열 과정에서 자기장의 세기를 많이 줄일수록 시료의 온도를 더 많이 낮출 수 있다. 이론적으로 외부에 있는 자석의 힘을 아예 영으로 만들어버리면 절대영도까지 떨어져야 마땅해 보인다. 하지만 실제로는 외부 자석을 치워도, 시료 안에 모여 있는 작은 자성 입자들이 서로 너무 가까이 붙어 있어서 자기들끼리 자석처럼 끌어당기는 힘(내부 자기장)이 발생하므로 현실적으로 0도까지 떨어지지 않는다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 특별한 고체 염(소금 같은 결정 구조)을 사용하는데, 이는 자성을 띤 입자들 사이에 자성이 전혀 없는 일반 물질들을 끼워 넣어, 자성 입자들 간의 거리를 멀리 떨어뜨려 놓는 원리이다.

---