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Main Title: Aufbau einer Kernkühlstufe zur Untersuchung der kondensierten Materie bei ultratiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern
Translated Title: Structure of a nuclear cooling stage for the investigation of the condensed matter at ultralow temperatures and high magnetic fields
Author(s): Nuzha, Hasan
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Unter Berücksichtigung der experimentellen Voraussetzungen wurde eine neuartige Kernkühlstufe entwickelt und erfolgreich getestet. Mit Hilfe dieser Kernkühlstufe ist es möglich, kondensierte Materie bis auf einige Mikrokelvin abzukühlen und in starken Magnetfeldern zu untersuchen. Die entwickelte neuartige Dreifach-Kernstufe besteht aus konzentrisch angeordneten Zylindern aus hochreinem Kupfer und Platin. Dieser konzentrische Aufbau erlaubt durch eine effektivere Ausnutzung des Magnetfeldes im oberen Bereich des supraleitenden Magnetsystems die Entmagnetisierung der Kernmomente von 9 Tesla auf einige Millitesla und die Abkühlung einer "Nutzlast"' auf Temperaturen von einigen Mikrokelvin. Im unteren Bereich des Magnetsystems mit hoher Feldhomogenität kann dann das Verhalten ultrakalter Materie in Magnetfeldern bis zu 9 Tesla untersucht werden, eine in dieser Form derzeit einzigartige Experimetierumgebung. Neben der Pt-NMR-Thermometrie gehören Konstruktion und Bau eines geeigneten Wärmeschalters sowie Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmelecks als wesentliche Voraussetzungen für den effektiven Betrieb der Mikrokelvinanlage zu den Schwerpunkten der vorliegenden Arbeit. Durch aufwendige Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung und HF-Schirmung sowie geeigneter Materialauswahl und massive Konstruktion der Kernstufe konnte das Wärmeleck auf weniger als 1,5 nW reduziert werden. Die thermodynamische Feldtheorie der Kernspinkühlung basiert auf der kinetischen Beschreibung von Leitungselektronen in einem Metall und von ihrer Kontaktwechselwirkung mit den lokalisierten magnetischen Momenten der Atomkerne. Lösungen des Feldgleichungssystems für die Temperaturfelder der Metallelektronen und Kernspins sowie des Wärmeflusses für die im Experiment kontrollierbaren Anfangs- und Randbedingungen wurden als thermodynamischer Prozess bezeichnet. Auf der Grundlage numerische Berechnungen thermodynamischer Prozesse konnte die Entmagnetisierungsfunktion zur Erzeugung tiefster Temperaturen optimiert werden. In ersten Tests an der äußeren Kupferkernstufe konnten durch thermodynamisch optimierte Entmagnetisierung bereits Festkörpertemperaturen von unter 25 µK gemessen und für mehrere Tage aufrecht erhalten werden. Eine zuverlässige Messung der Temperatur konnte erst durch Verbesserung der Pt-NMR-Thermometrie erreicht werden.
With consideration of the experimental conditions a new nuclear cooling stage was developed and successfully tested. With the help of this nuclear cooling stage it is possible to cool down and in strong magnetic fields examine condensed subject up to some micro Kelvin. The developed new three-fold nuclear stage consists of concentrically arranged cylinders of highly pure copper and platinum. This concentric structure permits by a more effective utilization of the magnetic field within the upper range of the superconducting magnetic system demagnetising the nuclear moments of 9 Tesla on some Millitesla and the cooling to a pay load on temperatures of some micro Kelvin. Within the lower range of the magnetic system with high field homogeneity then the behavior of ultralow subject in magnetic fields up to 9 Tesla can be examined, at present a demagnetising environment singular in this form. Apart from the Pt-NMR-thermometry construction and building of a suitable thermoswitch as well as measures belong to the reduction of the heat leakage as substantial conditions for the effective enterprise of the micro Kelvin plant for the emphasis of the available work. The heat leakage could be reduced by complex measures to the oscillation damping and HF shielding as well as suitable choice of materials and solid construction of the nuclear stage to less than 1.5 nW. The thermodynamic field theory of the nuclear spin cooling is based on the kinetic description of conduction electrons in a metal and of its contact reciprocal effect with the located magnetic moments of the atomic nuclei. Solutions of the field set of equations for the temperature fields of the metal electrons and nuclear spins as well as the heat flow for the at the beginning of and boundary conditions controllable in the experiment were called thermodynamic process. On the basis numeric computations of thermodynamic processes the demagnetising function could be optimized for the production of lowest temperatures. In first tests at the outside copper nuclear stage already solid temperatures could be measured from under 25 µK and be kept upright for several days by thermodynamically optimized demagnetising. A reliable measurement of the temperature could be achieved only by improvement of the Pt-NMR-thermometry.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11442
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1526
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1229
Exam Date: 20-Oct-2005
Issue Date: 8-Nov-2005
Date Available: 8-Nov-2005
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Kernentmagnetisierung
Kernkühlung
Kernstufe
Pt-NMR
Nuclear cooling
Nuclear demagnetisation
Nuclear stage
Pt-NMR
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