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突破性进展!科学家提出新方法不施加外部磁场就能使材料磁化

前瞻网    2021-08-04 17:14

 

突破性进展!科学家提出新方法不施加外部磁场就能使材料磁化

近日,研究人员提出了一种不施加外部磁场而使材料磁化的方法。研究表明,这种现象可以通过绝热压缩的方式产生,而不需要与环境进行任何热量交换。这个过程使材料粒子的自旋对齐,并使系统磁化。

巴西圣保罗州立大学(UNESP)的研究人员在《科学报告》杂志上发表的一篇文章中提出了在不施加外部磁场的情况下,对材料进行磁化的想法。

研究人员表示:“简而言之,当盐绝热压缩时,不与外部环境交换热量,就会发生磁化。压缩提高了盐的温度,同时重新排列了其粒子的自旋。因此,系统的总熵保持恒定,在过程结束时系统仍然具有磁性。”

为了帮助理解这种现象,我们有必要回顾一下自旋和熵的基本原理。

自旋是一种量子属性,它使基本粒子(夸克、电子、光子等)、复合粒子(质子、中子、介子等)甚至原子和分子表现得像微小的磁铁,在磁场中指向北或南——向上自旋和向下自旋。

研究人员解释说,“像金属铝这样的顺磁材料只有在外部磁场作用下才会被磁化。铁磁性材料,包括铁,即使在没有外加磁场的情况下也可能显示有限的磁化强度,因为它们有磁域。”

熵基本上是系统的可访问配置或状态的度量。可达状态的数量越多,熵就越大。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼使用统计学方法,将系统的熵(一个宏观量级)与构成其宏观状态的可能微观构型的数量联系起来。

研究人员表示,“在顺磁材料的情况下,熵体现了概率的分布,描述了它所包含的粒子的上自旋或下自旋的数量。”

在最近发表的研究中,顺磁盐在一个方向被压缩。“单轴应力的应用降低了盐的体积。由于这一过程没有与环境进行任何热量交换,压缩会使材料的温度绝热上升。温度的升高意味着熵的升高。要保持系统的总熵不变,就必须有局部的熵减少来抵消温度的上升。结果,自旋倾向于对齐,导致系统磁化。”

系统的总熵保持不变,绝热压缩导致磁化。从实验上看,当样品压缩的时间小于热松弛所需的时间时,就可以实现绝热压缩。这也是系统与环境交换热量的典型时间。

研究人员还提出,绝热升温可以用于研究其他相互作用系统,如磁性绝缘体中的玻色-爱因斯坦凝聚体,以及偶极自旋冰系统。

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