铁磁材料的居里温度(铁磁材料的磁滞回线)

铁磁材料的居里温度(铁磁材料的磁滞回线)

示意图显示特殊磁性材料在加热时从自旋的无序状态(左)变为显示磁性的有序状态(右)

物理学家发现,当温度上升到某种程度时,一些磁性材料会冻结。通常,只在冷却物体时才会出现冻结,而非加热时。因此,这让物理学家摸不着头脑,深感困惑。

加热反而冻结?

荷兰拉德布德大学(Radboud University)物理学家亚历山大(Alexander Khajetoorians)表示,磁性材料的冻结与通常看到的相反, “就像水加热后变成冰块一样,违反了直觉”。

通常,像铁这样的磁性材料,其中的原子自旋都是朝着同一个方向的。本质上,原子们的南磁极和北磁极都在同一方向上对齐。然而,一些由铁和铜制成的合金具有随机自旋的特点。物理学家将这种状态称为自旋玻璃(spin glass)。

物理学家说,多数时候,你必须将不同的材料结合起来才能造出自旋玻璃。例如上面提及的铁和铜的混合物。然而,钕(Neodymium)是一种无需混合其它材料也可形成自旋玻璃的化学元素。而且,当加热时,这种磁材会冻结。

意外现象

研究人员7月4日在《自然·物理学》上发表了对这一现象的研究。他们将钕从 -268?C 加热到 -265?C。仅仅加热3度,磁性材料的自旋就会冻结成固定样式从而具有整体磁性。如果再次降温,原子的自旋则又返回到通常的无序无磁状态。

正如上文所及,这现象很奇异,因为这种磁自旋的冻结通常只发生在冷却而不是加热的时候。这是研究人员没有料到的。通常,较高的温度会增加固体、液体或气体中的能量,磁性材料也是如此。

当提高温度时,原子的自旋通常会开始颤抖,从而产生更多随机自旋。但是,对于钕这种材料而言,加热反而会让其磁性自旋冻结。自然界中这些现象并不常见。而且,当其出现时,就完全颠覆了人们的认知。

物理学家说,这种行为是物理学上简并(degeneracy)概念的一个例子。这基本上是说,许多不同的状态可以具有相同的能量,当系统达到某个温度时,导致它进入一个特殊模式。钕磁性材料的冻结就是一个很好的例子。◇

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