几乎每种物质，无论是固体、液体还是气体，都会在升温时膨胀，在降温时收缩。这种现象被称为热膨胀，它使得热气球可以漂浮，也被用于制造恒温器来自动控制家用炉灶。铁路、桥梁和建筑物的设计都考虑到了这一特性，在高温天气中有足够的空间来膨胀而不会弯曲或断裂。
热膨胀的发生是因为材料的原子随着温度升高而振动更多。随着振动增加，原子之间的距离也增大。随着间距的增加，材料的密度减小，整体尺寸增大。
虽然有少数例外，但总体来说，材料严格遵守这一规律。然而，有一类金属合金被称为“不变性”(Invars)，它们在很大的温度范围内固执地拒绝改变尺寸和密度。
“发现不膨胀的金属几乎是闻所未闻的，”材料科学研究生、这篇新论文的主要作者斯特凡·洛豪斯(Stefan Lohaus)说。“但在1895年，一位物理学家偶然发现，如果你把铁和镍按一定比例结合起来，它们都有正的热膨胀，你会得到这种具有非常不寻常行为的材料。”
这种反常的特性使得这些合金在对精度要求极高的场合非常有用，比如制造钟表、望远镜和其他精密仪器的零件。直到现在，没有人知道为什么因瓦尔人会有这样的行为。在《自然物理学》上发表的一篇题为《因瓦尔效应的热力学解释》的新论文中，芭芭拉的布伦特·富尔茨和材料科学与应用物理学教授斯坦利·r·罗恩的实验室的研究人员说，他们已经找到了至少一个因瓦尔稳定性的秘密。
150多年来，科学家们已经知道热膨胀与熵有关热力学的概念。熵是对系统中无序程度的度量，比如原子的位置。随着温度的升高，系统的熵也随之增加。这是普遍正确的，所以英瓦尔人的不寻常行为必须通过某种抵消膨胀的东西来解释。
Lohaus说，长期以来人们一直怀疑这种行为在某种程度上与磁性有关，因为只有某些铁磁性(能够被磁化)的合金才表现得像铁合金。
“我们决定研究这个问题，因为我们有一个非常简洁的实验装置，可以同时测量磁性和原子振动，”Lohaus说。“这是一个完美的系统。”
由于材料的磁性是其电子所谓的自旋状态的结果——一种角动量的量子测量，可以“向上”或“向下”——任何抵消材料预期膨胀的磁效应都必须归因于其电子的活动。
熵、热膨胀和压力之间的关系被称为“麦克斯韦关系”，通常被认为是教科书上的奇闻异事，但加州理工学院的研究小组找到了一种方法，利用它来独立测量由磁性和原子振动引起的热膨胀。实验是在美国伊利诺斯州阿贡国家实验室的先进光子源(同步加速器x射线源)上完成的，通过测量金刚石砧细胞内压力下因瓦尔小样品的振动光谱和磁性。
测量结果显示，原子振动和磁性产生的热膨胀被微妙地抵消了。两者都随着温度和压力的变化而变化，但在某种程度上保持了平衡。利用一种新开发的精确理论方法，这项工作的合作者展示了振动和磁力之间的相互作用是如何帮助这种平衡的，比如原子振动的频率会被磁力改变。振动和磁性之间的这种耦合可能有助于理解其他磁性材料中的热膨胀，以及开发用于磁制冷的材料。
实验装置由一个金刚石砧单元组成，它本质上是两个精确研磨的金刚石尖，材料样品可以在两个尖之间紧密挤压。在这种情况下，一小块因瓦尔合金在20万大气压的压力下被挤压。研究人员将一束强大的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。这种相互作用改变了x射线携带的能量，使研究人员能够测量原子振动的程度。
他们还在金刚石砧细胞周围放置了传感器，可以探测到由属于样品原子的电子自旋状态产生的干涉图案。
该团队使用他们的实验装置来观察因瓦尔样品的原子振动和电子在增加样品温度时的自旋状态。在较低的温度下，更多的因瓦尔电子共享相同的自旋状态，导致它们移动得更远，并将它们的母原子推得更远。
随着因瓦尔温度的升高，其中一些电子的自旋态越来越多地翻转。结果，电子变得更容易靠近邻近的电子。通常情况下，这会导致因瓦尔在升温时收缩。但在这里，因瓦尔人的原子也振动得更多，占据了更多的空间。由于自旋状态变化引起的收缩与原子振动膨胀相互抵消，使因瓦尔保持不变。
洛豪斯说:“这是令人兴奋的，因为这是一个100多年来一直存在的科学问题。”“有成千上万的出版物试图展示磁力是如何导致收缩的，但没有对因瓦尔效应的整体解释。”
共同作者是材料科学研究生Pedro Guzman和Camille M. Bernal-Choban，应用物理和材料科学访问学者Claire N. Saunders，阿贡国家实验室的Guoyin Shen，魏茨曼科学研究所的Olle Hellman，波士顿学院的David Broido和Matthew Heine，以及Fultz。
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