超导‘小时代’之六:秩序的力量

作者: 中科院物理所

来源: 《物理》2016年02期

发布日期: 2016-02-26 08:36:11

文章探讨了自然界和物理学中的秩序概念,从自然界的生物群体行为到微观世界的原子排列,再到磁性材料的磁矩排列,阐述了秩序如何影响和增强群体力量,以及在物理学中秩序如何影响材料的性质和行为。

如果这个世界没有秩序,那所有的国家将被摧毁。——亨利·基辛格《世界秩序》

自然界的秩序给生存者带来许多便利,大雁排成队借助伙伴扇动的气流来减少体力消耗,蚂蚁闻着同伴的气味在同一轨迹上行进。团结加上秩序,将发挥一加一大于二的群体力量。世界因为秩序,才稳定地存在。

自然界除了对称之美外,秩序也是一种美。比如在时尚界,豹纹被认为是性感的一种标志,就可能来自于猎豹身上既对比鲜明又秩序井然的斑点纹。如果我们用放大倍数极高的电子显微镜观测昆虫的复眼或蝴蝶的翅膀,就会发现它们由无数个密集有序排列的小单元组成。

从微观角度来看,我们的世界为什么会有形状各异、硬度不同的材料,也是因为材料内部原子的秩序不同造成的。电子和电子的库仑相互作用导致原子之间存在一定的间距,而且不同原子间排列方式也有所不同,最终决定了宏观形状的对称方式。

尽管试图用经典的物理图像去理解电子的自旋都是徒劳的,但我们还是可以简单把电子想象成一个小磁针,它具有自己的南极和北极,即存在一定的磁矩。因为电子自旋的量子单位是半整数,自旋磁矩的方向也只有两种,要么向上,要么向下。

居里定律的发现,说明磁性并不是一成不变的,它和温度存在密切的依赖关系。物理学上把磁性从一种状态变成另一种状态称之为磁相变。磁铁里的磁性很强,被命名为“铁磁性”。居里温度以上的磁性很弱,被命名为“顺磁性”。

不仅实际材料中的磁畴分布是十分复杂的,其实原子磁矩的排列也是十分复杂多样的。除了前面提到的铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁外,材料中磁结构非常之丰富。考虑到材料的三维结构,存在比如磁矩共线排列的共线磁、磁矩螺旋排列的螺旋磁、磁矩如梯子排列的自旋梯等。

万物皆有序,非人能主宰。一朝热起来,各顾自散开。

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