理論稱磁鐵可作為無線冷卻劑2014-11-18

科學日報報道，據美國麻省理工學院的研究學者提出的一項最新理論，聚集在冰箱表面的磁鐵冰箱貼有朝一日可以被用作冷卻劑。這一理論描述了磁子的運動，磁子是磁鐵的準粒子，是磁矩的集體旋轉，或者稱“自轉”。除了磁矩，磁子還能導熱，利用他們提出的方程式，麻省理工學院的研究學者發現當暴露在磁場梯度下，磁子可能會從磁鐵的一端轉移到另一端，攜帶熱并產生冷卻效應。

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最新理論預測磁鐵可以作為無線冷卻劑

“你可以從一端抽熱至另一端，因此本質上來說你可以將磁鐵當做冰箱，”美國麻省理工學院機械工程學院的研究生廖柏林（Bolin Liao）這樣說道。“你可以想象一下無線冷卻的應用情景，例如在電腦一兩米遠處的磁鐵加一個磁場以實現對電腦的冷卻。”

理論上來說，這個磁場驅動的冰箱并不需要移動部分，和傳統的冰箱不同，后者需要通過一系列管子抽取流體以實現冷卻。廖和另一名研究生周家偉（Jiawei Zhou）以及MIT機械工程學院院長陳剛（Gang Chen）將這些有關磁子冷卻理論的文章發表在期刊《物理評論快報》上。

“現在人們有了一個新的理論以研究磁子在共存場和溫度梯度下是如何移動的，”廖說道。“這些方程式是磁子傳輸的根本。”

冷卻效應

在一個鐵磁物質里，局域磁矩可以在不同方向上旋轉和對齊。在絕對零度，局域磁矩會對齊以產生磁鐵里最強的磁力。隨著溫度逐漸上升，磁鐵變得越來越弱，因為越來越多局域磁矩會旋轉離開對齊線，逐漸升高的溫度就產生了磁子集。

磁子在很多方面都類似電子，它們都能夠帶電并導熱。電子會對電場或者溫度梯度做出回應——這個現象被稱為熱電效應。近些年科學家們調查了這種效應的各種應用，例如熱電發電機，它可以將熱直接轉化為電，或者無需任何移動部件而實現冷卻效應。

廖和他的同事在磁子里識別了一種相似的“耦合”效應，它能夠針對兩種力做出反應：溫度梯度或者磁場。由于在這方面磁子和電子的行為非常相似，基于熱電學里廣泛接受的電子傳輸方程式——波茲曼傳輸方程式，研究人員提出了磁子傳輸的理論。

根據這一方程式的衍生，廖、周和陳提出了描述磁子傳輸的兩個新方程式。利用這些新方程式，他們預測了一個新的磁子冷卻效應，類似于熱電冷卻效應，也即磁子在磁場梯度下會攜帶熱從磁鐵的一段傳輸到另一端。

刺激新的實驗

廖利用常見磁場絕緣體的特性，對磁子冷卻效應在現存磁場材料里是如何工作的進行了建模。他從之前的文獻里收集了這種材料的數據，然后將這些數據輸入最新的模型。他們發現這個材料的確能夠針對適度的磁場梯度產生冷卻效應，雖然這種效應非常小，但這種效應在低溫時非常顯著。

理論結果表明磁子冷卻效應的第一批應用或可以幫助某些項目的科學家，那些項目要求超低溫條件下的無線冷卻。“在這個階段，潛在的應用是低溫學——例如，冷卻紅外探測器，”陳說道。“然而，我們仍需要實驗性的證明這種效應并尋找更好的材料。我們希望這能鼓勵出新的實驗。”

美國德州大學奧斯汀分校的機械工程學教授施歷（Li Shi）表示，研究小組確定的磁場冷卻效應是“用于研究旋轉和熱量之間耦合的極其有用的理論框架，它能潛在的刺激將磁子用作固態制冷系統里的工作‘流體’的概念。”施并未參與這項研究。

廖指出磁子還可成為改善現有熱電發動機的新工具，雖然這種利用熱發電的能力非常創新，但仍相對低效。“想要與傳統技術相競爭，熱電學還有很長的路要走，”廖說道。“研究磁場自由度可以潛在的最優化現有系統并改善熱電效率。