突破性進展:在不施加外部磁場的情況下將一種材料磁化

研究人員提出了一種在不應用外部磁場的情況下使材料磁化的方法。該研究表明,這種現象可以通過絕熱壓縮的方式產生,而不需要與環境進行任何熱交換。該過程使材料顆粒的自旋對齊並使系統磁化。

巴西聖保羅州立大學(UNESP)的研究人員在《科學報告》雜誌上發表的一篇文章中提出了在不施加外部磁場的情況下使材料磁化的建議,他們在文章中詳細介紹了用於實現這一目標的實驗方法。

這項研究是Lucas Squillante在位於Rio Claro的UNESP物理系教授Mariano de Souza的指導下進行的博士研究的一部分。由Souza指導的另一位博士生Isys Mello和位於Ilha Solteira的UNESP物理和化學系教授Antonio Seridonio也做出了貢獻。該小組得到了FAPESP的支持。

“簡而言之,當鹽被絕熱壓縮時就會發生磁化,期間不與外部環境進行熱交換,”Souza說。”壓縮提高了鹽的溫度,同時重新排列其顆粒的自旋。因此,該系統的總熵保持不變,並且該系統在該過程結束時仍然被磁化。”

突破性進展:在不施加外部磁場的情況下將一種材料磁化

為了幫助理解這一現象,值得回顧一下自旋和熵的基本知識:

自旋是一種量子屬性,它使基本粒子(夸克、電子、光子等)、復合粒子(質子、中子、介子等),甚至原子和分子都表現得像微小的磁鐵,在提交給磁場時指向北或南–上旋和下旋。

順磁材料,如鋁,是一種金屬,只有在施加外部磁場時才會被磁化。包括鐵在內的鐵磁性材料,即使在沒有外加磁場的情況下也可能顯示有限的磁化,因為它們有磁疇。

熵基本上是對系統的可訪問配置或狀態的一種衡量。可訪問狀態的數量越多,熵就越大。奧地利物理學家路德維希-玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann,1844-1906)使用統計方法,將一個系統的熵(這是一個宏觀的量級)與構成其宏觀狀態的可能微觀配置的數量聯系起來。Souza表示,在順磁材料的情況下,熵體現了一種機率分布,描述了它所包含的粒子中上旋或下旋的數量。

Souza表示,在最近發表的研究中,順磁鹽在單一方向上被壓縮。施加單軸應力會減少鹽的體積。因為這個過程是在沒有與環境進行任何熱交換的情況下進行的,所以壓縮產生了材料溫度的絕熱上升。溫度的上升意味著熵的上升。為了使系統中的總熵保持不變,必須有一個局部減少熵的部分來抵消溫度的上升。結果是,自旋趨於對齊,導致系統的磁化。

該系統的總熵保持不變,絕熱壓縮導致磁化,從實驗上看,當樣品被壓縮的時間少於熱鬆弛所需的時間–系統與環境進行熱交換所需的典型時間時,絕熱壓縮就實現了。

研究人員還提出,絕熱溫度的上升可以用來研究其他相互作用的系統,如磁絕緣體中的玻色-愛因斯坦凝結物,以及雙極自旋冰系統。

來源:cnBeta