磁体也能制冷？神奇的⿊科技制冷技术！尽管三伏天已经要结束，但空⽓⾥仍然充斥着夏⽇独特的味道。其貌不扬的外表，外热内冷的“⼼”，空调是夏⽇续命神器中当之⽆愧的C位。当你汗流浃背时，空调中的压缩机不断地⼯作，空调为你送来丝丝凉意，但也产⽣了嗡嗡的噪声，惹⼈⼼烦。然⽽，有⼀种制冷技术像“魔法”⼀样，在变化磁场下，能悄⽆声息地降低温度，这就是磁制冷。
磁制冷技术是⼀种独特⽽有趣的冷却⽅式，它能够⾼效、环保地为我们提供制冷效果，在诸多领域有着极⼤潜⼒。今天，让我们⼀起揭开磁制冷的神秘⾯纱，来看看它是如何运作的。磁制冷是基于磁热效应的⼀种制冷技术。你可以想象⼀块磁性材料在外加磁场作⽤下，温度发⽣变化，进⽽产⽣冷量。
那么，什么样的材料才会有磁热效应呢？⾸先，我们需要了解磁性材料的基本特点。从微观⾓度来看，磁性材料通常由许多微⼩的磁性颗粒组成，每个颗粒内部都存在⼀个磁矩，它是由电⼦的⾃旋和轨道⾓动量决定的。这些颗粒之间的排列常有四种状态，对应四种磁性：铁磁性、亚铁磁性、顺磁性和反铁磁性。当磁性材料被放置在外加磁场中时，磁矩会重新排列，以适应外加磁场的作⽤，这个重新排列过程称为磁矩取向。
顺磁性材料是具有⾃发磁矩的材料，它们的磁矩总是沿着外加磁场⽅向取向。⽆外加磁场时，它对外呈现出顺磁性；在外加磁场作⽤下，它的磁矩沿着外加磁场有序排列，对外呈现出铁磁性。除了外加磁场，温度也会使磁矩重新排列，⼤部分磁性材料都是某⼀温度点之下呈现铁磁性或亚铁磁性，该温度点以上呈现顺磁性。上⾯提到的这个温度点就是居⾥温度（Tc），又称为磁性转变点，居⾥温度点决定了磁性材料所能服役的温区。
不同的磁性材料有不同的居⾥温度点，这使得磁制冷技术应⽤⼗分⼴泛，从室温到极低温都有不同的应⽤。磁热效应究竟是如何发⽣的呢？磁矩取向和热效应又有什么关系呢？它们之间又蕴含着什么科学原理呢？实际上，磁矩的排列就像我们的房间⼀样，不常收拾就会变得越来越混乱，⽽在物理学⾥，有⼀个⽤来度量体系混乱程度的物理量，叫作熵。对于⼀个孤⽴系统⽽⾔，混乱程度越⾼，熵越⾼，反之熵越低。
磁性材料主要有两种熵：磁熵和热熵。磁熵是指磁矩的有序⽆序性；热熵则是指组成物质的分⼦或原⼦的振动⽅式，振动⽅式越多，越剧烈时，热熵也就越⼤。这两个熵之和就是磁性材料的总熵。总熵改变时，可能是磁熵或热熵的改变，也有可能两者都在变化；⽽总熵不变时，并不⼀定是磁熵和热熵都不变，有可能是⼀个增⼤，⼀个减⼩。
磁热效应正是通过磁熵和热熵之间的“此消彼长”来实现的。为了保持总熵不变，磁热材料需要处在⼀个绝热环境中。绝热环境就是整个系统与外界没有热量交换，热量进不来也出不去。此时，给磁性材料施加外磁场时，磁矩排列整齐，磁熵减⼩，那么热熵就会变⼤，会放出热量；相反，去掉磁场时，热熵减⼩，需要吸收热量，这时就起到了制冷的效果。听起来⾼深莫测的磁制冷，不过是此消彼长的“跷跷板游戏”⽽已。
磁制冷的基本原理虽然简单，但要将这个原理设计成服务于各个领域的设备，还是需要⼀番巧妙的构思的。为了实现磁制冷过程，需要使⽤到磁性材料、磁场源和热交换器等组件。⾸先，在绝热环境下，施加外加磁场会使磁性材料发⽣磁矩取向变化，并释放热量，随后，热量会通过热交换器从散热器排出；去除磁场时，磁性材料温度降低，与被制冷的物体相⽐，磁性材料温度更低，因此磁性材料会吸收被制冷物体中的热量，使其温度降低。
这样循环往复，就使热量流动形成了⼀个闭环。⼀次次的循环往复，使得被制冷物体的热量不断被吸⾛，达到了制冷的效果。
在实际应⽤中，磁制冷具有许多独特的优势：1）绿⾊环保。
磁制冷不需要使⽤任何对环境有害的化学物质，这与传统的压缩机制冷⽅式存在着显著的差异，传统⽅式需要利⽤制冷剂来吸收和释放热量，这些制冷剂中包含⼀些有机氟化物、氨及碳氢化合物，他们有着破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；2）⾼效节能。磁制冷系统通过磁场变化来实现冷却，⽽不是像传统⽅式通过机械压缩⽓体。这意味着磁制冷可以在⾮常低的温度下运⾏，并且消耗的能量较少。
磁制冷理论效率可达到卡诺循环效率的60～70％，⽽⽓体压缩制冷⼀般为20～40％。也就是说，在其他条件相同的情况下，磁制冷的耗电量只有传统压缩制冷冰箱的50%左右；3）稳定可靠。磁制冷不需要⽓体压缩机，运动部件少，⽆振动，零噪声，可靠性⾼，寿命长，便于维修；
正是因为这些优点，磁制冷技术被⼴泛应⽤于航空航天、医疗、电⼦等领域。
根据应⽤温区，磁制冷主要应⽤于极低温温区（＜1K，如量⼦计算等）、低温区（如核磁共振成像、⽓体液化等）和室温区（如空调、冰箱等）。⽬前，我国制冷空调⾏业的⼯业总产值超过10000亿元，且制冷⽤电量超过全国总⽤电量的15%，是当之⽆愧的能耗⼤户。当前⼴泛使⽤的制冷剂⼤多具有较⼤的温室效应，制冷剂泄漏导致的排放是我国温室⽓体的重要组成部分。
⽽现在，制冷空调⾏业正处于落实《绿⾊⾼效制冷⾏动⽅案》、应对全球⽓候变化的关键时期。磁制冷作为⼀种零碳能源制冷技术，绿⾊环保、⾼效节能、稳定可靠的优点使其有望成为替代室温蒸⽓压缩制冷技术的⽅案之⼀。
为什么磁制冷还没有商业化？⽬前，国内外已随着空间探测等前沿科学应⽤需求增加，极低温绝热去磁制冷凭借不依赖重⼒、结构紧凑、制冷效率⾼等优点成为了空间探测、量⼦技术、凝聚态物理等前沿科学的关键技术。
沈俊教授研究团队开展了⾃主可控绝热去磁样机研制⼯作，构建了复叠式ADR（绝热去磁制冷），获得了50mK以下的最低温度。低温磁制冷起步较晚，当前还集中在磁热材料成分调控磁热性能的研究中，整机流程和架构研究相对较少。由于磁热材料的绝热温变受限，在液氦温区通常将磁制冷与其他制冷技术相结合，构建了复合式低温磁制冷机。
室温磁制冷技术发展相对成熟，2017年起，沈俊研究团队先后研制出系列冷量的室温样机，包括达到产业化应⽤的百⽡级冷量磁制冷样机。
虽然已经有了许多磁制冷设备，但⽬前这些设备仅在某些⼯业领域和实验室中使⽤，造价也⽐较昂贵，这说明磁制冷技术要想⾛进千家万户，还⾯临着⼀些挑战。在磁制冷应⽤研究中，需要材料科学与⼯程、⼯程热物理和制冷⼯程等多学科的交叉互补和协同创新。
当前阻碍磁制冷商业化主要有两个⽅⾯的原因：⼀是磁制冷材料常为稀⼟⾦属化合物，⽣产成本⾼，价格昂贵，即使是在稀⼟资源丰富的中国，也很难将整个磁制冷机的造价降低到和压缩制冷机媲美；⼆是当前磁路设计很难将整个装置在保证制冷效果的前提下缩⼩到家⽤的尺⼨。除此之外，虽然磁制冷装置中没有压缩机，但实际设计中会有永磁磁体或磁性材料的相对运动，不可避免地会产⽣轻微的噪声和振动。
然⽽，这些都是可以克服的问题，随着科技的不断进步，科研⼯作⼈员的⾟苦奋⽃，我们有理由相信磁制冷技术将会得到进⼀步发展和应⽤，它将会成为未来制冷领域的⼀⼤利器。