第2章 正文(2)

刚才我们介绍了四氧化三铁的磁结构（亚铁磁），实际上现有的磁性材料还有其他的磁有序类型，如果材料中所有的磁矩都向同一个方向排列，就是铁磁体；如果是一半朝上一半朝下，磁矩完全抵消掉，就是反铁磁体；还有一类相邻的是反铁磁的相互作用，但磁矩不是平行的排列，而是有一个角度，根据磁矩的矢量加和，得到一个剩余磁矩，在有序温度以下其磁性表现和铁磁体是相似的。磁有序的材料常常有三个特征：它们能够产生一个磁场，能够表现出自发磁化，并且磁有序行为需要在某一个临界温度以下表现出来，在临界温度以上是顺磁行为。自发磁化是指不加磁场或者很小的磁场就能够使物质磁化。我们以前也许见过磁滞回线，这种回线可以描述磁体的软和硬特征。现在工业商用的最多的稀土永磁材料钕铁硼，这种磁体的磁滞回线是比较方形的，比较胖，这种磁体是硬磁体，磁化之后磁场退到零，还能保持很高的磁矩（剩磁），如果加了反向的很大的场，才能使磁矩退到零，这个场我们叫做矫顽力。如果这个回线是一个很瘦的形状或者根本没有loop，这种磁体就是软磁体，它们各有不同的用途，铁的一些氧化物常常表现出软磁的行为。

迄今为止，元素周期表上所有的元素，只有四种元素的单质在室温或室温以上能够表现出铁磁有序行为，它们是铁、钴、镍和钆。我们目前用的磁性材料大都是它们的化合物，如铁、铬的氧化物或稀土的金属间化合物。大家知道，铁-铬-铁的金属多层膜表现出的巨磁阻效应，相关工作获得了2007年诺贝尔物理学奖。巨磁阻效应就是指磁性材料的电阻会在磁场下变化，和不加磁场的时候相比较有很大的变化，这就可以作为磁存储的材料。这个现象在1987到1989年的时候在实验室被发现，很快被应用到计算机领域中硬盘的高密度存储。

前面讲的一些内容，从第一个磁石到后来讲到的金属间化合物都是原子基的磁体，在我们生活中的应用比较广泛，比如电机、汽车中都需要。最近我们国家发展比较快的风力发电，风力发电的电机就需要用到钕铁硼。这样一些材料为什么会有这样的磁性，是因为原子的磁矩，原子磁矩的来源主要是电子，虽然原子核也有贡献，但主要是电子的自旋和轨道的贡献。我们今天这一讲原来是安排在11月11号，这一天对于磁性材料来说是有象征意义的，因为这一天是单身节，对于磁性材料来说，表现磁性是由于存在单身的电子，没有配对的。原子形成化合物的时候电子总是倾向于配对的，仅有少数物质的电子没有配对，只有某些元素在化合物中的电子没有配对，对于过渡金属来说是d电子，对于稀土金属来说是f电子，如果是非金属主要是自由基的p电子。

对于分子的磁性，磁有序也有不同的类型，其磁性来源也是电子的自旋以及轨道的贡献。如果把我们刚才讲的传统的磁性材料，比如氧化物以及合金不断地做小，会表现出一些独特的性质，就会从体相多畴的性质变成单畴的性质，再小就变成了少数自旋组成的一个体系，现在许多科学家就在关注这样一个体系。既然可以从大到小，我们也可以人为地从小到大，拿一些磁性的离子把它们连起来做成一个团簇分子，这样的团簇或聚集体会有什么样的性质？我们需要探讨的就是这样一类磁性的分子。在1993年的时候，法国的一位科学家Oliver Kahn教授写了本书，详细地介绍了这个领域的理论基础以及各个方向的进展。后来美国的Miller以及意大利的Gatteschi教授分别编著了一些新书，大家如果感兴趣可以关注一下这些网站，特别是：

2010年10月初，我们在北京组织召开了“第十二届国际分子磁体会议”，在会议上大家主要关注许多新的问题，包括把自旋载体连成三维结构是否可以做成类似氧化物的磁有序材料，并且使其有序温度达到室温以上，20世纪80年代以来全世界很多课题组都致力于做这种高有序温度的材料，但是进展并不是很大，因为要求磁性载体之间在三个方向上都要有强的相互作用；包括今天我们一会儿最主要讲的内容，就是单个孤立的分子、分子链甚至孤立的离子能否表现出类似磁体的行为，比如磁滞回线；另一个关注的主要方向就是一些多功能的磁体，包括光、电以及铁电的性质。如果要发现一些新的体系和新的现象，我们需要研究分子的磁性质和结构有什么样的关系。

我们每时每刻都需要呼吸空气，空气的主要成分是氮气和氧气，在呼吸的时候我们感知不到呼吸的氧气是顺磁的。刚才我们提到过，所有的物质都会对磁场有所响应，弱的排斥或吸引，分别是通常的抗磁或顺磁。几年前一位法国的教授（M. Verdaguer）在我们实验室进行过一个实验，把钕铁硼的磁体放在液氮中再拿出来，看不到液氮在磁体中间，因为液氮是抗磁的，但是如果放在液态氧中再拿出来，就可以看到液氧被吸引到磁体上，并且用我们的肉眼就明显可以看到。因为氮气的电子都配对了表现出抗磁性，而氧气的分子轨道中有两个没有配对的电子，所以表现出了顺磁性。