県立大実習記録：REAl2化合物のキュリー温度測定…等

2009/10/12 2015/10/24

８月に県立大学にて、体験させて頂いた実験.。これは、教職員の「研修」のひとつ。参加人数が少ないから出てくれと誘われ、何の期待もせずに参加。意外と楽しかった…というわけで。
磁石にくっつくもの（磁性体）は、温度を上げるとくっつかなくなる。逆に放って置いてまた温度が下がると、またつくようになる。Gdの例↓
…何故くっつかなくなるか？スピンが揃って磁石になろうとする「交換相互作用」　　　　　　vs 逆にスピンをばらそうとする「熱振動」高温になると、熱振動が勝るため。このIsingモデルのシミュレーションとそのレポートを参照。つくかつかないか、その境目の温度を、キュリー温度と呼ぶ。（旦那キュリーさんに因む）先のGdの場合、キュリー温度は290K位だそうで。どうりで着かなくなるわけですな。キュリー温度の測定は、磁石につくつかないを温度を変えてひたすら行います。 …まさか。温度を変えたときの電気抵抗の変化の様子を調べる。スピンが揃ったところで、抵抗値-温度の係数が変化する。さーっと自由電子が流れ出すイメージ、ですと。したがって、グラフから、キュリー温度を判断する。希土類元素ガドリニウム(以下Gd)とアルミニウム(Al)を1mol:2molでアーク炉に入れてGdAl2を作成する。アーク炉はアルゴンガスで洗い、真空引きして使うんですね。知りませんでした。

1.試料の評価
GdAl2試料の一部を粉砕し、粉末Ｘ線回折実験を行い、回折パターンをチェック。理論計算と照らし合わせる。~~計算は、手計算で行う。~~　…計算が膨大。諦めて、エクセルを使用。大学の研究に一応関連していたりするので、本当はもっと速く勉強せねばならなかった部分…しかし、初めての計算。「へぇー」を連発。・計算に使ったファイル(xls 466kbyte)
何箇所か自信なし。ローレンツ偏り因子、要勉強。測定値と理論値は…一応、合致している？　「計算方法」と「出来上がった試料」双方がそんなに悪くない、と判断できる。

2.試料を冷却し、抵抗-温度のデータを測定
液体窒素、液体ヘリウムで冷却、測定は４端子法（参考：この超伝導実験のレポート　学生時代うまくいかず気が狂いそうになった…。）で行われたらしい。←２日目行くと、データが出ていました…。
160Kまで冷却すると、抵抗の様子が大きく変化（相転移）することが分かる。この時、物体のスピンが交換相互作用でそろう状態（強磁性体）となっていると判断する。 GdAl2のキュリー温度～160Kが測定された。どういうことか？すなはち、GdAl2試料は、常温（＞キュリー温度160K）では、磁石につかない。（「常磁性体」のように振舞う。）