不遵循热膨胀的例外

几乎每种物质，无论是固态、液态还是气态，都会随温度的升高而膨胀，随温度的降低而收缩，这种特性被称为热膨胀。

热膨胀之所以会发生，是因为材料的原子会随着温度的升高而振动得越厉害。原子振动得越厉害，它们就与邻近的原子相隔越远，原子与原子之间的空间增大，材料的密度就会减小，导致整体尺寸增大。

总的来说，绝大多数材料都严格遵守这一原则。不过，也有少数例外，比如一种名为因瓦（Invar）的金属合金材料，就是一个典型的例子。

因瓦合金。（图/caltech.edu）

与磁性有关？

因瓦是一种由铁（Fe）和镍（Ni）结合而成的磁性金属合金。铁和镍都有着正向的热膨胀特性，但当它们以一定的比例结合起来时，就会形成一种在很大的温度和压强范围内，都能顽强地表现出几乎“零热膨胀”的材料，这种反常的现象被称为因瓦效应。

这种特性使得这种合金非常适用于对精度有极高要求的场景，比如为钟表、望远镜和其他精密仪器制造零件。然而，一直以来，科学家一直不知道为什么因瓦合金会有这样的性质。

150多年来，科学家就已经知道热膨胀与熵有关。熵是热力学中的一个核心概念，它可以被简单理解为是对一个系统的无序程度的度量。普遍来说，随着温度的升高，系统的熵也随之增加。正因如此，因瓦效应必须用某种能够抵消热膨胀的东西来加以解释。

因瓦效应的发现者，瑞士物理学家夏尔·纪尧姆（Charles Guillaume）就提出，因瓦效应与磁性有关，因为只有某些铁磁性（能够被磁化）的合金才能表现得像因瓦合金。

在一篇新发表于《自然·物理学》杂志上的新论文中，加州理工学院的一个物理学家团队与其合作者，通过使用一个非常简洁的实验装置对因瓦合金的原子振动和磁性同时进行了测量，找到了问题的答案。

微妙的平衡

熵、热膨胀和压力之间的关系被称为“麦克斯韦关系”。在新的研究中，物理学家找到了一种方法，能够利用麦克斯韦关系来测量由磁性和原子振动引起的热膨胀。

他们的实验装置由一个金刚石压砧室组成的，它具有两个被精确研磨的金刚石尖，可以对材料样本进行严密地挤压。在实验中，研究人员就以约20万倍的大气压强，在金刚石压砧室中挤压一小块的因瓦合金样本。

与此同时，他们还将一束强大的X射线穿过合金。在这个过程中，X射线与原子的振动（声子）相互作用，这种相互作用可以改变X射线所携带的能量，使研究人员可以测量原子振动的程度。

其实，物质的磁性与其电子的自旋态有关，所以任何能够抵消材料的预期热膨胀的磁效应，都必须归因于其电子的活动。因此，在实验中，研究人员还在金刚石压砧室周围放置了传感器，可以探测到由属于因瓦合金的原子的电子自旋态产生的干涉图案。

利用这套装置，研究人员测量了因瓦合金的原子振动以及其电子在温度升高时的自旋态。他们的观测结果显示，原子振动产生的热膨胀被磁性微妙地抵消了。

具体来说，他们发现在较低的温度下，更多的因瓦的电子共享相同的自旋态，导致它们分开得更远，并且也将它们的母原子推得更远；随着因瓦合金的温度升高，其中一些电子的自旋态越来越多地出现翻转，使得电子变得越来越容易靠近邻近的电子。

通常情况下，这会导致因瓦合金在升温时收缩，但由于因瓦合金的原子也因为升温而振动得越厉害，进而占据了更多的空间。结果就是，由自旋状态变化引起的收缩，会与原子振动引起的热膨胀相互抵消，导致因瓦合金可以在温度的变化下维持大小不变。

令人兴奋的答案

研究结果表明，虽然因瓦合金的原子振动和磁性都随温度和压力的变化而变化，但在某种程度上，它们可以维持平衡。这是令人兴奋的结果，因为科学家已经为此困惑了100多年。

研究人员利用这种新发展的理论方法，展示了原子振动和磁性之间的相互作用是如何帮助维持这种平衡的。原子振动与磁性之间的这种耦合，也或将有助于科学家们理解其他磁性材料中的热膨胀，并帮助开发其他可用于磁制冷的材料。

参考来源：

https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why

封面图&首图：Matt Heine via caltech.edu