能制冷的神奇磁性材料

钱苏昕

改变磁场就能悄无声息地降低温度？！这不是魔法，而是神奇的磁制冷——利用磁制冷材料（常为稀土金属或其化合物）、磁制冷装置，就能达到高效、环保的制冷效果！

消失的磁场

在介绍磁制冷之前，我们先来了解一下什么是材料的磁性？磁性又是从何而来的？

生活中，磁性冰箱贴可以轻易附着于铁质的冰箱上，但无法贴附于铜质的门把手或水龙头。铁和铜对外加磁场呈现出了完全不同的反应，这种性质被称为磁性。

磁性取决于材料的微观结构。物质是由原子组成的，而原子包含了带正电荷的原子核和带负电荷的电子，运动的电荷会产生磁场。在物理学中，我们用磁矩衡量磁场的强度和方向。

在宏观世界里，电动汽车线圈中的电流产生磁矩，驱动转子旋转进而产生动力；在微观世界里，每个原子内部，电子在不同能级轨道的运动会产生轨道磁矩，电子的自旋会产生电子磁矩，原子核内质子的自旋会产生原子核磁矩。

为什么不同的材料会呈现不同的磁性呢？上文提到了每个原子都有自己的磁矩，当每个原子的磁矩有序排列、指向相同时，材料对外就会呈现出宏观的磁场，这种微观结构被称为铁磁相，例如磁铁。

原子结构示意图

 电子自旋产生自旋磁矩，其方向取决于电子自旋的方向

如果把磁铁放到高温环境中，它产生的磁场就会衰退直至完全消失。这又是为什么呢？我们都知道布朗运动，它表明了分子存在随机无序的热运动。微观粒子都存在类似的热运动，温度越高，无序程度越大。如上图所示，当温度足夠高时，电子的无序热运动会使不同原子产生的磁矩方向不再相同，磁矩转变为随机无序排列，于是无法对外产生较强磁场，这种微观结构被称为顺磁相。只有外界施加足够强度的磁场，才能从顺磁相恢复到铁磁相。

磁能生热也能降温？

电动汽车线圈中的电流产生磁矩，驱动转子（电机中心旋转的部分就是转子）旋转进而产生动力（绘图/ 陈禾）

如图所示，对高于居里温度、处于顺磁相的材料施加磁场时，无序排列的磁矩会在磁场的作用下，重新恢复磁矩定向有序排列的铁磁相。

当温度足够高时，磁铁内部电子的无序热运动会使不同原子产生的磁矩方向不再相同，磁矩转变为随机无序排列，于是磁铁无法对外产生较强磁场

在这个磁矩无序到磁矩有序的过程中，电子无序热运动多余的动能被迫释放，这部分动能会加速原子的振动，宏观反映为材料温度上升；反之，退去磁场，从磁矩有序到无序的变化需要补充这部分动能，造成原子振动减速、材料温度降低。我们可以简单记忆为，磁化放热（材料升温）、退磁吸热（材料降温）。这种由于外加磁场变化使材料温度变化的效应称为磁热效应。

磁铁要保持铁磁相（有磁场），需要低于居里温度，才能对外提供磁场。而对我们能制冷的磁性材料来说，它的居里温度需要在制冷温度附近，才能利用外加磁场驱动的顺磁-铁磁相变实现制冷。即只有在居里温度附近才有铁磁-顺磁相变，有相变才有热效应（温度变化）从而制冷。

64号元素钆（Gd，读gá）的居里温度恰好为19摄氏度，为室温温区的制冷提供了可能；钆镓石榴石（Gd3Ga5O12）的居里温度约为2开尔文（零下271.15摄氏度），可用于低温制冷。

如何实现制冷？

单次退磁降温无法实现连续的制冷。我们需要一个热力学循环才能源源不断地将热量从低温搬运至高温，提供持续制冷。以极低温制冷为例，一个典型的磁制冷循环包含4个步骤：

 钆是一种金属元素，元素符号为Gd，原子序数64，原子量157.25，呈银白色，可用于室温制冷

 磁制冷循环原理。H表示外加磁场

 极低温磁制冷装置原理与实物图。在制冷循环中，可以使用超导线圈作为外加磁场源，使用热开关控制磁性材料的换热（照片来源/北京理工大学沈俊教授团队）

美国物理化学家吉奥克曾因发明磁制冷装置，对低温材料热力学和热力学第三定律实验验证作出了卓越贡献，获得诺贝尔化学奖。

如今，磁制冷材料和磁制冷技术被广泛应用于航空、航天、医疗、电子、低温物理研究等领域。例如，为航天遥感传感器、量子计算机提供低温等。

传统的制冷方式，需要使用氟代烃制冷剂实现吸热、放热。但氟代烃易引发温室效应，例如，汽车空调使用的四氟乙烷分子引发的温室效应等效于1400个二氧化碳分子。为了抑制制冷剂引发的温室效应导致的气候变化问题，未来20年，我国承诺削减80%的氟代烃制冷剂。由于磁性材料不会挥发至大气引起温室效应，科学家也在研究室温温区的磁制冷冰箱和空调。希望在未来，绿色环保的磁制冷能走进千家万户。

知识拓展

能让磁性改变的居里温度

居里温度是使磁性状态转变的温度，因纪念法国著名物理学家皮埃尔·居里在1895年对铁磁-顺磁相变温度的研究工作而得名。低于此溫度时，物质表现出铁磁性（微观结构是铁磁相）；而高于此温度时，物质表现出顺磁性（微观结构是顺磁相）。

固相、液相、气相微观结构示意图（绘图/ 陈禾）

例如，钕（nǚ）铁硼（目前人类使用的最强的永磁体材料）的居里温度是300～400摄氏度，一旦超过这个温度，钕铁硼的磁场会完全消失。

这里我们要再讲解一下“相”和“相变”这两个概念。固相、液相、气相（也称固体、液体、气体或者固态、液态、气态）是3种相态。固体分子间距小，相互作用力大；气体分子间距大，相互作用力小。

如果某种东西由一种物质均匀组成，拥有均匀的物理与化学性质，则称这种东西只具有一种相。当物质从一种相态转变为另一种相态时，就说这种物质发生了相变。例如，冰变为水，即固相变为液相；水变为汽，即液相变为气相。

磁铁升温失效就是从铁磁相到顺磁相的固态相变过程。两相转变的温度就是居里温度。

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 周游）