揭秘居里温度：高温下磁铁的秘密
揭秘居里温度：高温下磁铁的秘密
磁铁在我们的日常生活中无处不在，从冰箱贴到耳机，从电动机到磁悬浮列车，它们发挥着不可或缺的作用。然而，你可能不知道，当磁铁遇到高温时，它会失去自己的“魔力”。这种现象背后隐藏着怎样的科学原理？科学家们又是如何克服这一难题的呢？让我们一起来探索这个看似神秘的现象。
什么是居里温度？
1895年，法国物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，当铁磁性物质被加热到某一特定温度时，其磁性会突然消失。这一温度后来被称为“居里温度”（Curie temperature）。每种磁性材料都有其特定的居里温度，比如常见的钕铁硼磁铁的居里温度约为310-370℃，而钐钴磁铁则高达700℃。
那么，为什么温度会影响磁铁的磁性呢？这要从磁铁的微观结构说起。磁铁之所以能吸引铁质物体，是因为其内部存在着大量微小的“磁畴”（magnetic domains）。在未磁化的状态下，这些磁畴的方向是杂乱无章的，整体上不表现出磁性。但当磁铁被磁化后，这些磁畴会整齐地排列起来，形成一个统一的磁场方向。
当温度升高时，磁铁内部的原子开始剧烈振动，这种振动会破坏磁畴的有序排列。一旦达到居里温度，磁畴的排列就会完全被打乱，磁铁也就失去了磁性。这个过程是可逆的，也就是说，如果温度降回到居里温度以下，磁铁的磁性可以部分或完全恢复。
突破极限：新型耐高温磁性材料
面对这一挑战，科学家们从未停止探索的脚步。近年来，北京工业大学宋晓艳教授团队在基于机器学习利用数据驱动方法预测Sm-Co基合金居里温度方面取得重要研究进展。基于研究团队构建和多年来不断完善的Sm-Co基合金数据库，建立了“物理+数据”驱动的机器学习模型，高通量预测了Sm-Co基合金的居里温度，并分析了其影响因素及机理。
研究发现，Sm-Co基合金的居里温度由基体中Co的质量占比、掺杂元素含量以及掺杂元素的本征特性等综合因素共同决定。电导率大且熔化热与Sm相似的掺杂元素可能会提高Sm-Co基合金的居里温度。建立了基于符号回归算法的高通量预测模型，可以预测尚未发现的Sm-Co类合金体系的居里温度。进一步，以符号回归预测结果为初始数据集，建立了逻辑回归分类模型，以揭示掺杂对Sm-Co基合金居里温度的影响。首次提出并定义了居里温度敏感因子Z，可以定量描述掺杂元素关键物理特征对Sm-Co基合金居里温度的影响规律，指导高居里温度的Sm-Co基高温永磁体的高效开发。
从实验室到实际应用
这些新型高温磁性材料的应用前景十分广阔。在电力传输领域，超导电缆具有传输损耗低、节省空间等优势。与传统电缆相比，超导电缆的导电能力是相同横截面铜线的约200倍，同时还能节省70%的地下管廊空间。目前，我国10千伏及以上电力电缆的年需求量约为10万公里，假设总量的1%使用高温超导电缆，需求总量1000公里，市场空间可达千亿元。
在医疗领域，核磁共振成像（MRI）设备是超导技术的重要应用之一。超导MRI利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像，可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI相比，超导MRI成像区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高，一般可达10年以上而不变化，这就决定了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。
此外，这些新材料还被应用于粒子加速器、磁悬浮列车、电机、加热、储能等领域。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来将会有更多高性能的磁性材料问世，为我们的生活带来更多的便利和惊喜。