台灣新聞通訊社-科學人／預見新磁性開啟新科技

Post Views: 46

圖/科學人

通訊設備、高容量硬碟、隱形轟炸機、地球板塊理論，這些看似毫不相干的東西背後，都指向同一個名字：法國物理學家奈爾（Louis Néel）。

奈爾攻讀博士學位時的指導教授是魏斯（Pierre Weiss），這位磁學大師曾提出被奉為圭臬的「平均場論」。他主張鐵磁體內部的原子在均勻的分子場作用下，磁矩會朝同一個方向平行排列，因此可以把原子間的交互作用，簡化為整體的平均值。之前皮耶．居禮曾針對順磁性材料提出了「居禮定律」，魏斯則根據平均場論，將其擴展為「居禮—魏斯定律」，對高於居禮溫度的鐵磁體也適用（這時會失去永久磁性，變成跟順磁性材料一樣，只有感應磁性。）

在魏斯的建議下，奈爾研究各種鐵磁體化合物的磁性隨著溫度變化的關係，不料實驗結果卻顯示，有些材料在接近居禮溫度時不適用居禮—魏斯定律，讓他不得不懷疑平均場論有誤。他認為相鄰原子之間的短距離作用影響更大，不能忽視其差異，因此大膽提出「局部分子場」模型，準確預測了磁化率如何隨著溫度變化，他也憑藉這篇論文於1932年取得博士學位。

1936年，奈爾把合金的原子晶格視為兩種化學元素的子晶格交錯嵌合而成，如果兩個子晶格磁矩大小相等、方向相反，便會互相抵消，因而在宏觀下不具磁性；而當溫度足以打亂磁矩的排列，合金便會變成順磁性材料。奈爾把這種假想合金稱為「反鐵磁體」，其磁矩排列方式恰與鐵磁體相反。學界大多嗤之以鼻，因為根本沒見過這種物質；即使兩年後發現氧化錳具有反鐵磁性，許多物理大師仍不相信奈爾的模型，認為另有其他解釋。

奈爾並未氣餒，在1948年又提出一種全新的亞鐵磁性。這種材料內部和反鐵磁體一樣，磁矩正反交錯排列，不同的是磁矩大小不相等，因此仍有淨磁矩。這可以解釋為什麼最早發現的磁鐵礦（四氧化三鐵），飽和磁化強度遠低於理論值——它並非一般以為的鐵磁體，而是屬於亞鐵磁性材料。然而這個模型同樣備受質疑，直到1950年，美國物理學家蕭爾（Clifford G. Shull）利用中子繞射技術觀測氧化錳，果真看到了原子磁矩是正反交錯排列，才終於證實奈爾的先見之明。

奈爾的理論開啟了許多科技應用，從早期的電報、電話、電視、收音機，到現代微波通訊、雷達系統、反雷達塗料，都少不了亞鐵磁性材料。1970年諾貝爾物理獎便頒予奈爾，表揚他「在反鐵磁性與亞鐵磁性上的基礎研究與發現，為固態物理帶來許多重要的應用」。此外，奈爾針對奈米級鐵磁粒子提出的「超順磁性」理論，也成為間接驗證大陸漂移學說的重要依據。

有趣的是，奈爾在諾貝爾獎演講時，自嘲反鐵磁性沒什麼用處，沒想到18年後反鐵磁性成為發現「巨磁阻效應」的重要關鍵，硬碟容量才得以大幅躍升。而〈變來變去的磁性，打造夢幻記憶體〉介紹了全新型態的交錯磁體，不知道又會帶來哪些科技革新？