不遵循热膨胀的例外情况
几乎每一种物质，无论是固体、液体还是气体，都会随着温度的升高而膨胀，随着温度的降低而收缩，这种特性称为热膨胀。
热膨胀的发生是因为随着温度的升高，材料的原子振动得更剧烈。原子振动得越多，它们与邻居之间的距离就越远，原子之间的空间增加，材料的密度降低，导致整体尺寸增加。
一般来说，绝大多数材料都遵循这一原则。但是，也有一些例外，例如称为殷钢的金属合金材料，就是一个很好的例子。
殷钢合金。（图/）
与磁学有关？
殷钢是由铁 （Fe） 和镍 （Ni） 结合形成的磁性金属合金。铁和镍都具有正热膨胀特性，但当它们以一定比例结合时，它们会形成一种材料，在很宽的温度和压力范围内可以顽强地表现出几乎“零热膨胀”，这种异常现象被称为殷钢效应。
这种特性使这种合金非常适合精度至关重要的应用，例如制造手表、望远镜和其他精密仪器的零件。然而，长期以来，科学家们一直不知道为什么殷钢合金具有这样的性能。
150多年来，科学家们已经知道热膨胀与熵有关。熵是热力学中的一个核心概念英语作文，可以简单地理解为系统中无序程度的量度。一般来说，随着温度的升高，系统的熵也会增加。正因为如此，殷钢效应必须用抵消热膨胀的东西来解释。
殷钢效应的发现者，瑞士物理学家查尔斯·纪尧姆（ ）提出，殷钢效应与磁性有关，因为只有某些铁磁性（磁化）合金才能表现得像殷钢合金。
在发表在《自然物理学》杂志上的一篇新论文中，加州理工学院的一组物理学家及其合作者通过使用非常简单的实验装置同时测量殷钢合金的原子振动和磁性，找到了这个问题的答案。
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，物理学家已经找到了一种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的方法。
他们的实验装置包括一个金刚石砧室物理学家 瑞士，带有两个精确研磨的金刚石尖端，可以紧紧挤压材料样品。在实验中，研究人员在金刚石砧室中以大约200,000倍大气压的压力挤压了一小块殷钢合金样品。
同时，它们还将强大的 X 射线束穿过合金。在这个过程中，X射线与原子（声子）的振动相互作用物理学家 瑞士，这种相互作用可以改变X射线携带的能量，使研究人员能够测量原子的振动程度。
事实上，物质的磁性与其电子的自旋状态有关，因此任何可以抵消材料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砧室周围放置了传感器，可以检测属于殷钢合金的原子的电子自旋态产生的干涉图案。
使用这种装置，研究人员测量了殷钢合金的原子振动及其电子随着温度升高的自旋状态。他们的观察表明，原子振动产生的热膨胀被磁力巧妙地抵消了。
具体来说，他们发现，在较低的温度下，更多的Invar电子具有相同的自旋状态，导致它们分离得更远，并将它们的母原子推得更远;随着殷钢合金温度的升高，其中一些电子的自旋态越来越多地翻转，使电子更容易靠近相邻电子。
通常，这会导致殷钢在加热时收缩，但由于殷钢的原子在加热时振动也更强烈，因此它们占用更多空间。结果，由自旋状态变化引起的收缩抵消了原子振动引起的热膨胀，从而使殷钢合金能够在温度变化下保持其尺寸。
激动人心的答案
结果表明，殷钢合金的原子振动和磁性虽然随温度和压力而变化，但在一定程度上可以保持平衡。这是一个令人兴奋的结果，因为科学家们对此感到困惑了100多年。
利用这种新开发的理论方法，研究人员展示了原子振动和磁力之间的相互作用如何帮助维持这种平衡。原子振动和磁性之间的这种耦合也可以帮助科学家了解其他磁性材料的热膨胀，并有助于开发可用于磁冷却的其他材料。
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