当代磁学发展的特点和展望

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当代磁学发展
的
特点和展望
李国栋 , 中国科学院物理研究所 当代磁学发展的特点
纵观从古代磁学、 近代磁学、 现代 磁学发展到当代磁学 的历史过程
1-2
北京 -.../. 0
内容十分丰富， 进展又非常迅速， 故只 能选取其中一些事例加以简略论述， 而不可能进行较全面的介绍。当代磁 学发展的特点主要表现在研究深入、 领域扩大、联系增多和应用广泛这四 个方面。 当代 磁学的研究 深入：主 要是指 从宏观的唯象研究深入到微观机理的 研究。例如， 关于铁磁性的研究， 早期 只观测到铁磁物质的磁性远强于弱磁 性的抗磁物质和顺磁物质，其磁化率 相差约 -. 4 5 -. -. 倍，以致在同铁磁物 质磁性相比时，把弱磁物质称为非磁 性或无磁性。后来经过大量的实验观 测研究， 认识到一切物质都具有磁性， 即都具有一定的磁化率，还认识到铁 磁性的两大特征：磁滞现象和磁畴结 构现象。关于磁滞和磁畴结构的产生 原因，即自发磁化的产生最初认为是 称为分子场的作用，这种分子场使原 子磁矩相互平行地排起来，产生磁化 强度高和磁化率高的强磁性，即当时 观测到的铁磁性
. 0: 1
射效应和磁致红移效应等。 当代磁学 的应用广泛 ; 这是由于 当代磁学研究的深入、领域扩大和联 系增多的必然结果，其例证是极多 的。 这里的只略举两方面的事例。 从传 统工业技术的应用扩大到许多高新技 术的应用， 例如， 磁性材料和磁场在当 代磁学发展以前主要应用于发电机、 电动机和变压器等的电力工业，受话 器、 继电器和加 , 电 - 感器等的电信工 业以及磁电式仪表、电磁式仪表和非 电磁量转变为电磁量的磁变换器、磁 传感器等，但随着当代高新技术的发 展，对各种单功能和多功能的磁性材 料和磁性器件的种类和功能要求就显 著增加， 例如， 信息新技术方面计算机 用磁存储和磁记录的材料及器件，光 通信用的磁光隔离器和磁光环行器； 能源新技术方面受控热核聚变装置中 对高温等离体的磁约束 电装置中的强磁场
核磁矩有序 6 如固态 氦 3 1 , 1 78 - 核 9
65 9
石研究，观测到在约 @+/ 万年的一次 地磁场反向时，调查的 > 种古生物中 有 4 种灭绝；在约 =/// 万年的一次地 磁场反向时，调查的 = 种古生物全部 灭绝；在约 >+// 万年前的一次地磁场 反向时， 也有若干种生物化石消失。 关 于这种现象曾提出过两种解释，一种 解释是在地磁场反向的过渡期中，地 磁场强度显著减小时，地球上会受到 强烈的宇宙线辐射，引起若干种古生 物的死亡或突变，另一种解释是在地 磁场反向的过渡期中，地磁场强度显 著减小时， 会引起气候的剧烈变化， 使 若干种古生物不能适应气候剧变而死
，
，以及顺磁微波发射器和激光器
. 05 ，06 1
的顺磁晶体材料
， 更进一步增加
当代边缘磁学发展的特点
当代磁学发 展的一个主要特征是 从传统的狭义磁学发展到当代的包括 众多边缘磁学的广义磁学。从这方面 看，当代边缘磁学的发展也具有其显 著的特点，主要的特点表现在边缘磁 学与狭义磁学的相互影响，各个边缘 磁学之间的相互渗透，边缘磁学与其 他学科的相互联系，边缘磁学与高新 技术的相互促进。 边缘磁学的分支多， 而且随着科学技术的发展还在出现新Fra bibliotek+
生物磁 学
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的边缘磁学。当前已有较多发展的边 缘磁学主要有等离体磁学、 介观磁学、 原子核磁学、基本粒子磁学、地球磁 学、 宇宙磁学、 生物磁学、 原子磁学、 分 子磁学和磁化学等。 当代边缘磁 学与狭义磁学的相互 影响：狭义磁学中的基本原理可以应 用于边缘磁学，而各边缘磁学的新现 象和新效应可以丰富和扩大狭义磁学 的研究内容。这方面的事例是很多 的。 例如， 狭义磁学 , 以下简称磁学 - 主
. /6 1
，高电阻率的铁氧体永磁材料
. 0/ 1
和软磁材料
. 00 1
，以及非晶和纳米软磁
，而且更需要研究和应用适应
高新技术特殊需要的多种信磁材料和 特磁材料，如电子计算机技术应用的 矩磁材料 . 0/ 1 、 磁记录材料 . 0/ 1 和磁沧材 料
. 0/ 1
，磁流体发
，卫星微波通信技术应用的旋磁
19 2 18 2
，
横视从传统磁学扩大到原子核磁学、 基本粒子磁学、地球磁学、宇宙磁学、 生物磁学等边缘磁学的广义磁学的扩 展过程
13 2
，可以从这些历史中和扩展
过程中总结出一些特点，也可以作出 若干展望。下面分别对当代磁学和当 代边缘磁学的发展特点和展望作一概 略的论述。 由于当代磁学和当代边缘磁学的
了同原子核磁学、 基本粒子磁学， 生物 磁学、地球磁学和宇宙磁学等边缘磁 学的联系，形成了具有丰富内容和多 方面联系数的当代磁学，又称广义磁 学。另一个显著特征是由于广义磁学 的范围广，同多种学科和技术有着广 泛的联系，因而观测到更多的磁性与 其他物性互相联系和互相影响的磁效 应， 例如， 生物磁学中的微量生物强磁 物影响生物行为的强磁物生物效应 . 07 1
. 2+ 1 . 22 1
及其化合物扩大到稀土族 , +4 族 . /+ ，/5 1
元素及其化合物
. /6 1
， 并正进一步扩
大 到 锕 族 , 54 族 - 元 素 及 其 化 合 物 。另一个主要表现是从传统的永磁 材料和软磁材料扩大到信磁材料和特 磁材料。并正进一步从磁功能材料 . /7 1 扩大到磁智能材料
，太阳能卫星发
材料 . 0/ 1 和高内磁场铁氧体材料 . 0/ 1 ， 光 通信、光电子学和光子学应用的磁光 材料 . 02 1 等。 当代磁学 的联系增多 ; 其中一个 显著特征是以铁磁性和铁磁材料为主 的传统磁学增加了亚铁磁性和亚铁磁 材料 , 主要是铁氧体材料 - . 0/ 1 而扩大为 强磁学和强磁材料，又增加了同弱磁 性和弱磁材料的联系，如顺磁绝热退 磁致冷和核磁绝热退磁致冷的弱磁材 料
6 1> 9 6 ?/ 9
以及其他天体磁场
6 15 9
的星
的磁流体发电机模型的理
当代边缘磁学与其他学科的相互 联系：边缘磁学在发展中不仅同当代 磁学和其他边缘磁学互相影响和互相 渗透，也同其他相关学科相互联系而 取得进展。 例如， 在“ 阿波罗 ” 宇宙飞船 载人登上月球时，既测量和研究了月 球上空和月球表面的磁场，月岩的磁 性，又研究了月岩的种类、结构和组 成， 这样结合多方面的研究， 才可能推 断月球内部为固态结构，同地球内部 有液态外地核不一样，而且从月球外 部的磁场、 磁性、 结构和物性等数据推 断月球的内部状态，这样也提供了一 要研究的物质磁性是原子中的电子磁 性，包括电子轨道运动磁性和自旋磁 性。电子磁矩由于电子自旋之间的强 的交换作用而产生有序排列，形成多 种多样的序磁性，而电子磁矩之间的 弱磁相互作用只能在很低温度下才能 产生磁矩的有序排列。原于核由于其 质量远高于电子，故原子核磁矩远低 于电子磁矩，其有序排列形成核序磁 性的临界温度也就远低于电子磁矩 , 一般常称为原子磁矩 - 形成序磁性的 临界温度 , 称为居里温度或奈尔温 度 - 。但是随着当代科学技术的发展， 已可实现毫升 , ./ 01 2 - 级的超低温度和 微升 , ./
. 0+ 1
电站的变电送电的微波磁器件和其他 磁器件；空间宇航新技术中的测量空 间磁场的高灵敏度磁强计，记录空间 信息的高密度磁记录器及空间探测器 和宇宙飞船的电磁发射装置等；各种 高能加速器装置中的控制和探测带电 粒子的多种类型的磁铁装置；所有这 些都需要各种各样的磁性材料，既需 要永磁和软磁材料，还需要信磁和特 磁材料。
和双交换作用
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等， 以及
在原子核自旋 , 磁矩 0 间的核交换作用 ， 这些都 是在当 代磁学 研究 深入的 情况下取得的。又例如， 关于序磁性的 认识，最初仅认识到原子磁矩互相平 行、因而使铁磁物质的磁化强度显著 增强的铁磁性，后来虽从理论上提出 了反铁磁性 1 -. 2 即相邻原子磁矩互相反 平行的另一种序磁性，但却都缺乏从 微观上去辨别这种原子磁矩互相平行 的铁磁性和原子磁矩互相反平行的反 铁磁性。直到当代磁学发展以后， 利用 当代中子衍射技术，才从实验上确定 了原子磁矩微观排列的磁结构
34
论，后来关于古地磁场反向的多数理 论
6 ?. 9
种新的天文学方法 6 ?+ 9 。由于超导物理 学研究成果研制成测量微弱磁场的 *CD"E , 超导量子干涉仪 - 式磁强计和 磁场梯度计，更进一步研制成 ./4 道 以上的这种磁强计和磁场梯度计的多 道式仪器，从而能测量人体心磁场和 脑磁场等及其分布图，同心电图和脑 电图等相比较， 不但具有不接触人体、 可作交变磁场和恒定磁场及三维空间 人体磁场测量、 以及分辨率高、 确诊率 高的优点，而且还发展到同心电图和 脑电图等联合应用，在医学上取得更 佳的效果，表现出物理学研究促进生 物磁学进展，生物磁学又为医学诊断 提供新的更有效仪器的效果 6 ?4 9 。 , 待续 , 收 稿 日 期： @//. 3 /? 3 ././ -
. /8 1
。物质磁性的研
究和应用是从铁及其合金和化合物开 始的，然后扩大到镍和钴等及其合金 和化合物，它们所涉及都是与原子的 23 电 子 壳 层 未 填 满 而 产生 的 23 电 子 净磁矩， 即 23 原子磁矩。在当代磁学 发展以前，所研究和应用的磁性材料 都 是 以 含 23 原 子 磁 矩 的 铁 族 元 素 为 主要组元的合金和化合物。 在 /9+5 年 以 后 的 当 代 磁 学 发 展 时期，不但铁族磁性材料仍继续在发 展， 而且在不断扩大的研究中， 陆续观 测到以稀土族元素为主要组元的序磁 物质的多种序磁性及多种磁性能良好 的磁性材料，如稀土永磁材料和稀土 微波铁氧体材料，后来进一步观测到 以锕族元素及其化合物的序磁性
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， 对于分子场本质，
，而
生物磁 学 +
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且还进一步确定了不同序磁物质中原 子磁矩的多种类型的序磁性，如共线 , 平行 - 序磁性、 非共线 , 非平行 - 序磁 性、 螺旋型序磁性、 散序磁性、 超序磁 性，后来在一定条件下还确定了原子 核磁矩的序磁性 . /0 1 。这些例子都有力 地说明了当代磁学研究深入的一些侧 面。 当代磁学领域的扩大：主要表现 在序磁性的研究， 从铁族 , 23 族 - 元素
但是随着当代科学技术的发展已可实现毫升级的超低温度和微升极低温度在这样的超低和极温度下不但观测到由核自旋交换作用产生的核磁矩有序而且观测到由核磁偶极相互作用产生的核磁矩有序又如关于地球磁场和宇宙磁场的来源虽经过长时期的研究提出了多种的学说但直到当代才在积累大量实际观测和理论研究并受到磁流体发电机理论影响的基础上提出了被普遍接受的地核磁流体发电机模型的磁流体发电机模型的理论后来关于古地磁场反向的多数理也都是建立在磁流体发电机模型的基础上的
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即使得原子磁矩平行排列的相互作用 场的认识，是在量子力学的基础上发 展的电子自旋间的交换作用理论才解 后 决的 1 6 ，7 2 。从本质上认识到铁磁性， 来进一步扩展到电子自旋 , 磁矩 0 的各 种磁有序性 , 简称序磁性 0 的微观量子 力学特性—— — 交换作 用，以及 在不同 的微观条件下表现的不同交换作用， 如直接交换作用、 间接交换作用 1 4 2 、 超 交换作用
?? 9 。 亡 6 ?1 ，
， 而且观测到 由核磁偶极 相互作用
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产 生 的 核 磁 矩 有 序 6 如 铜 核 , :;<
4+
:; - 9
， 又如， 关于地球磁场和宇宙
6 1= 9
磁场的来源， 虽经过长时期的研究， 提 出了多种的学说 ，但直到当代才在 积累大量实际观测和理论研究，并受 到磁流体发电机理论影响的基础上， 提出了被普遍接受的地核磁流体发电 机模型 际磁场
. /2 1
这样不但大量增加了各种磁性材料的 种类和功能， 可从磁功能材料 到磁智能材料
. /8 1 . /7 1
和鸽子、 磁性细菌的磁导航效应 . 08 1 ， 地 球磁学中的地震一磁效应 . 09 1 和火山一 磁效应
. 2: 1
扩大
，而且也显著扩大了
，宇宙磁学中的磁致非热辐
序磁性的范围。若干锕族离子化合物 与 54 电子壳层组态的 的有效磁矩 ! " ， 关系 . /9 1 ， 可以看出， 锕族离子化合物的 这种关系是同铁族和稀土族化合物的 这种关系是很相似的，而且实验结果 同理论计算也是相当符合的。锕系元 素及其化合物、尤其是一些铀后的人 造元素及其化合物，有的具有序磁性 和放射性，是一类新的值得注意的磁 性材料。由于当代高新技术的发展和 应用， 也需要更多种的新磁性材料， 这 样在当代磁学发展中，不但需要种类 更多的性能更好的传统的永磁材料和 软磁材料， 如， 最大磁能积的稀土永磁 材料 材料