本文來自微信公眾號：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，頭圖來自：caltech.edu
不遵循熱膨脹的例外
(資料圖片僅供參考)
幾乎每種物質(zhì)，無論是固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)，都會隨溫度的升高而膨脹，隨溫度的降低而收縮，這種特性被稱為熱膨脹。
熱膨脹之所以會發(fā)生，是因為材料的原子會隨著溫度的升高而振動得越厲害。原子振動得越厲害，它們就與鄰近的原子相隔越遠，原子與原子之間的空間增大，材料的密度就會減小，導(dǎo)致整體尺寸增大。
總的來說，絕大多數(shù)材料都嚴格遵守這一原則。不過，也有少數(shù)例外，比如一種名為因瓦（Invar）的金屬合金材料，就是一個典型的例子。
因瓦合金。（圖/caltech.edu）
與磁性有關(guān)？
因瓦是一種由鐵（Fe）和鎳（Ni）結(jié)合而成的磁性金屬合金。鐵和鎳都有著正向的熱膨脹特性，但當(dāng)它們以一定的比例結(jié)合起來時，就會形成一種在很大的溫度和壓強范圍內(nèi)，都能頑強地表現(xiàn)出幾乎“零熱膨脹”的材料，這種反常的現(xiàn)象被稱為因瓦效應(yīng)。
這種特性使得這種合金非常適用于對精度有極高要求的場景，比如為鐘表、望遠鏡和其他精密儀器制造零件。然而，一直以來，科學(xué)家一直不知道為什么因瓦合金會有這樣的性質(zhì)。
150多年來，科學(xué)家就已經(jīng)知道熱膨脹與熵有關(guān)。熵是熱力學(xué)中的一個核心概念，它可以被簡單理解為是對一個系統(tǒng)的無序程度的度量。普遍來說，隨著溫度的升高，系統(tǒng)的熵也隨之增加。正因如此，因瓦效應(yīng)必須用某種能夠抵消熱膨脹的東西來加以解釋。
因瓦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者，瑞士物理學(xué)家夏爾·紀堯姆（Charles Guillaume）就提出，因瓦效應(yīng)與磁性有關(guān)，因為只有某些鐵磁性（能夠被磁化）的合金才能表現(xiàn)得像因瓦合金。
在一篇新發(fā)表于《自然·物理學(xué)》雜志上的新論文中，加州理工學(xué)院的一個物理學(xué)家團隊與其合作者，通過使用一個非常簡潔的實驗裝置對因瓦合金的原子振動和磁性同時進行了測量，找到了問題的答案。
微妙的平衡
熵、熱膨脹和壓力之間的關(guān)系被稱為“麥克斯韋關(guān)系”。在新的研究中，物理學(xué)家找到了一種方法，能夠利用麥克斯韋關(guān)系來測量由磁性和原子振動引起的熱膨脹。
他們的實驗裝置由一個金剛石壓砧室組成的，它具有兩個被精確研磨的金剛石尖，可以對材料樣本進行嚴密地擠壓。在實驗中，研究人員就以約20萬倍的大氣壓強，在金剛石壓砧室中擠壓一小塊的因瓦合金樣本。
與此同時，他們還將一束強大的X射線穿過合金。在這個過程中，X射線與原子的振動（聲子）相互作用，這種相互作用可以改變X射線所攜帶的能量，使研究人員可以測量原子振動的程度。
其實，物質(zhì)的磁性與其電子的自旋態(tài)有關(guān)，所以任何能夠抵消材料的預(yù)期熱膨脹的磁效應(yīng)，都必須歸因于其電子的活動。因此，在實驗中，研究人員還在金剛石壓砧室周圍放置了傳感器，可以探測到由屬于因瓦合金的原子的電子自旋態(tài)產(chǎn)生的干涉圖案。
利用這套裝置，研究人員測量了因瓦合金的原子振動以及其電子在溫度升高時的自旋態(tài)。他們的觀測結(jié)果顯示，原子振動產(chǎn)生的熱膨脹被磁性微妙地抵消了。
具體來說，他們發(fā)現(xiàn)在較低的溫度下，更多的因瓦的電子共享相同的自旋態(tài)，導(dǎo)致它們分開得更遠，并且也將它們的母原子推得更遠；隨著因瓦合金的溫度升高，其中一些電子的自旋態(tài)越來越多地出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，使得電子變得越來越容易靠近鄰近的電子。
通常情況下，這會導(dǎo)致因瓦合金在升溫時收縮，但由于因瓦合金的原子也因為升溫而振動得越厲害，進而占據(jù)了更多的空間。結(jié)果就是，由自旋狀態(tài)變化引起的收縮，會與原子振動引起的熱膨脹相互抵消，導(dǎo)致因瓦合金可以在溫度的變化下維持大小不變。
令人興奮的答案
研究結(jié)果表明，雖然因瓦合金的原子振動和磁性都隨溫度和壓力的變化而變化，但在某種程度上，它們可以維持平衡。這是令人興奮的結(jié)果，因為科學(xué)家已經(jīng)為此困惑了100多年。???
研究人員利用這種新發(fā)展的理論方法，展示了原子振動和磁性之間的相互作用是如何幫助維持這種平衡的。原子振動與磁性之間的這種耦合，也或?qū)⒂兄诳茖W(xué)家們理解其他磁性材料中的熱膨脹，并幫助開發(fā)其他可用于磁制冷的材料。
參考來源：
https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why
本文來自微信公眾號：原理 （ID：principia1687），作者：小雨
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