能制冷的神奇磁性材料

錢蘇昕

改變磁場就能悄無聲息地降低溫度？！這不是魔法，而是神奇的磁制冷——利用磁制冷材料（常為稀土金屬或其化合物）、磁制冷裝置，就能達到高效、環保的制冷效果！

消失的磁場

在介紹磁制冷之前，我們先來了解一下什么是材料的磁性？磁性又是從何而來的？

生活中，磁性冰箱貼可以輕易附著于鐵質的冰箱上，但無法貼附于銅質的門把手或水龍頭。鐵和銅對外加磁場呈現出了完全不同的反應，這種性質被稱為磁性。

磁性取決于材料的微觀結構。物質是由原子組成的，而原子包含了帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子，運動的電荷會產生磁場。在物理學中，我們用磁矩衡量磁場的強度和方向。

在宏觀世界里，電動汽車線圈中的電流產生磁矩，驅動轉子旋轉進而產生動力；在微觀世界里，每個原子內部，電子在不同能級軌道的運動會產生軌道磁矩，電子的自旋會產生電子磁矩，原子核內質子的自旋會產生原子核磁矩。

為什么不同的材料會呈現不同的磁性呢？上文提到了每個原子都有自己的磁矩，當每個原子的磁矩有序排列、指向相同時，材料對外就會呈現出宏觀的磁場，這種微觀結構被稱為鐵磁相，例如磁鐵。

原子結構示意圖

?電子自旋產生自旋磁矩，其方向取決于電子自旋的方向

如果把磁鐵放到高溫環境中，它產生的磁場就會衰退直至完全消失。這又是為什么呢？我們都知道布朗運動，它表明了分子存在隨機無序的熱運動。微觀粒子都存在類似的熱運動，溫度越高，無序程度越大。如上圖所示，當溫度足夠高時，電子的無序熱運動會使不同原子產生的磁矩方向不再相同，磁矩轉變為隨機無序排列，于是無法對外產生較強磁場，這種微觀結構被稱為順磁相。只有外界施加足夠強度的磁場，才能從順磁相恢復到鐵磁相。

磁能生熱也能降溫？

電動汽車線圈中的電流產生磁矩，驅動轉子（電機中心旋轉的部分就是轉子）旋轉進而產生動力（繪圖/ 陳禾）

如圖所示，對高于居里溫度、處于順磁相的材料施加磁場時，無序排列的磁矩會在磁場的作用下，重新恢復磁矩定向有序排列的鐵磁相。

當溫度足夠高時，磁鐵內部電子的無序熱運動會使不同原子產生的磁矩方向不再相同，磁矩轉變為隨機無序排列，于是磁鐵無法對外產生較強磁場

在這個磁矩無序到磁矩有序的過程中，電子無序熱運動多余的動能被迫釋放，這部分動能會加速原子的振動，宏觀反映為材料溫度上升；反之，退去磁場，從磁矩有序到無序的變化需要補充這部分動能，造成原子振動減速、材料溫度降低。我們可以簡單記憶為，磁化放熱（材料升溫）、退磁吸熱（材料降溫）。這種由于外加磁場變化使材料溫度變化的效應稱為磁熱效應。

磁鐵要保持鐵磁相（有磁場），需要低于居里溫度，才能對外提供磁場。而對我們能制冷的磁性材料來說，它的居里溫度需要在制冷溫度附近，才能利用外加磁場驅動的順磁-鐵磁相變實現制冷。即只有在居里溫度附近才有鐵磁-順磁相變，有相變才有熱效應（溫度變化）從而制冷。

64號元素釓（Gd，讀gá）的居里溫度恰好為19攝氏度，為室溫溫區的制冷提供了可能；釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12）的居里溫度約為2開爾文（零下271.15攝氏度），可用于低溫制冷。

如何實現制冷？

單次退磁降溫無法實現連續的制冷。我們需要一個熱力學循環才能源源不斷地將熱量從低溫搬運至高溫，提供持續制冷。以極低溫制冷為例，一個典型的磁制冷循環包含4個步驟：

?釓是一種金屬元素，元素符號為Gd，原子序數64，原子量157.25，呈銀白色，可用于室溫制冷

?磁制冷循環原理。H表示外加磁場

?極低溫磁制冷裝置原理與實物圖。在制冷循環中，可以使用超導線圈作為外加磁場源，使用熱開關控制磁性材料的換熱（照片來源/北京理工大學沈俊教授團隊）

美國物理化學家吉奧克曾因發明磁制冷裝置，對低溫材料熱力學和熱力學第三定律實驗驗證作出了卓越貢獻，獲得諾貝爾化學獎。

如今，磁制冷材料和磁制冷技術被廣泛應用于航空、航天、醫療、電子、低溫物理研究等領域。例如，為航天遙感傳感器、量子計算機提供低溫等。

傳統的制冷方式，需要使用氟代烴制冷劑實現吸熱、放熱。但氟代烴易引發溫室效應，例如，汽車空調使用的四氟乙烷分子引發的溫室效應等效于1400個二氧化碳分子。為了抑制制冷劑引發的溫室效應導致的氣候變化問題，未來20年，我國承諾削減80%的氟代烴制冷劑。由于磁性材料不會揮發至大氣引起溫室效應，科學家也在研究室溫溫區的磁制冷冰箱和空調。希望在未來，綠色環保的磁制冷能走進千家萬戶。

知識拓展

能讓磁性改變的居里溫度

居里溫度是使磁性狀態轉變的溫度，因紀念法國著名物理學家皮埃爾·居里在1895年對鐵磁-順磁相變溫度的研究工作而得名。低于此溫度時，物質表現出鐵磁性（微觀結構是鐵磁相）；而高于此溫度時，物質表現出順磁性（微觀結構是順磁相）。

固相、液相、氣相微觀結構示意圖（繪圖/ 陳禾）

例如，釹（nǚ）鐵硼（目前人類使用的最強的永磁體材料）的居里溫度是300～400攝氏度，一旦超過這個溫度，釹鐵硼的磁場會完全消失。

這里我們要再講解一下“相”和“相變”這兩個概念。固相、液相、氣相（也稱固體、液體、氣體或者固態、液態、氣態）是3種相態。固體分子間距小，相互作用力大；氣體分子間距大，相互作用力小。

如果某種東西由一種物質均勻組成，擁有均勻的物理與化學性質，則稱這種東西只具有一種相。當物質從一種相態轉變為另一種相態時，就說這種物質發生了相變。例如，冰變為水，即固相變為液相；水變為汽，即液相變為氣相。

磁鐵升溫失效就是從鐵磁相到順磁相的固態相變過程。兩相轉變的溫度就是居里溫度。

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）