磁學既古老又年輕。磁學已經有兩千多年的發展歷史，自20世紀初的物理學重大突破性發展以來，它經歷了四次重大變革：磁性質的物理理論、向微波和高頻的拓展、軟磁硬磁和磁硬碟等各種各樣的技術套用以及新近出現的自旋電子學，並為20世紀資訊科學技術的高速發展做出了巨大貢獻。J. M. D. Coey (傑·姆·德·柯艾)教授的英文專著 Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press 2010)，對磁學這個歷史悠久、內容豐富而又充滿了生命力的學科做了全面的總結和展望，是一本頗具特色的科研教學參考書。受Coey教授本人和劍橋大學出版社的授權委托，由韓秀峰研究員團隊負責轉譯成【磁學與磁性材料】，中國科學技術大學出版社2024年在國內出版發行。
【磁學與磁性材料】是在原著最新版的基礎上經增補部份內容而形成。這本專著對磁學和磁性材料套用及其磁學發展歷程進行了全面的論述與介紹，內容豐富而系統，包含了磁學和磁性材料方面的基本物理概念、實驗方法和套用。既有定性描述，又有定量分析，並對磁學相關的概念、現象、材料、器件及套用，註意給出其數值大小、實用的具體數據及其實施案例，還提供了豐富而實用的磁性材料資訊，詳細介紹了多種重要磁性材料。
這是一本現代磁學教科書，針對的讀者是對磁學和磁性材料感興趣並且希望快速獲得相關專業基礎知識、基本原理和廣泛套用介紹的物理學、化學、材料科學、微電子學、管理科學、科普和工程等領域的青年學者、教師、工程師以及廣大的高年級本科生和碩士博士生等研究人員。這本專著可以幫助讀者迅速了解和掌握磁學領域的相關專業基礎知識及套用方式和方法，是一部通俗易懂且有極高學術價值的專著。
全書有600多頁，包括幾百張圖表，語言精煉、要言不煩，幾乎涵蓋了磁學的整個領域，講述了幾乎所有的磁學知識。內容分為五個部份：首先是對磁學領域的簡要概述；接下來的八章討論了磁相關的基本概念和原理(這部份內容要求讀者具備基本的電磁學和量子力學知識)；隨後再用兩章分別討論了磁相關的實驗方法和磁性材料；最後的四章介紹了磁相關的套用。每一章的後面都配備了簡短的參考文獻和一些練習題。為避免混淆和方便磁相關計算，全書均采用國際單位制。對於仍在廣泛使用的CGS單位制，書後給出了詳細的國際單位制換算對照表。
今天，無論是在中國還是在全世界，古老而年輕的磁學仍然在高速發展。從微瓦量級到百萬瓦量級的電磁能量轉化和利用開發正在蓬勃發展、完備的稀土產業體系在中國成功建立、以及奈米磁性薄膜材料正在當今自旋電子學和資訊科學技術中發揮重要作用等等，都在吸引大量新的青年研究人員進入「磁學和磁性材料」這個科學領域。每位對磁學及其套用感興趣的人，無論是高年級的大學生、研究生還是科技工作者，都可以閱讀這本書、並從中受到啟發和有所裨益，有助於持續推動「磁學和磁性材料」的研究與發展。
【磁學與磁性材料】
作者：J. M. D. Coey
譯者：韓秀峰、姬揚、余天 等
撰文 | J. M. D. Coey
章節試讀：第15章
千百年以來，磁性一直吸引著人類的好奇心。具有排斥與吸引交互作用的磁力場，讓人夢想著實作懸浮、永動機，並為治愈疾病帶來希望，也讓人渴求理解其奧秘。這些夢想與希望已經以意想不到的方式實作了。磁學也已成為一門有著堅實物理基礎的成熟學科，並與自然科學的其他分支跨學科融合交叉。
盡管永動機被證明是一個白日夢——被反復地兜售給盲目的投資者——它卻在量子力學定態中得到了呼應。在定態下電子占據著量子化的軌域，永不停歇地運動，直到它們與環境交換能量量子。然而，處於定態中的電子並不做功，能量守恒定律並沒有被破壞。
磁懸浮是較為實際的提議，但仍不是早前想象的那樣——例如，斯威夫特 (Jonathan Swift) 的「飛島」勒普特，麥地那 (Medina) 的「先知的棺材」，或者索納特聖廟的「金色偶像」。靜態磁懸浮是可能的，但在室溫下的套用嚴重受限於固體材料的微弱抗磁性 (表3.4) 。
「飛島」勒普特(【格列佛遊記】)。據說，飛島包含著巨大的磁石
磁石受到了高爾夫和網球選手的追捧。磁石被出售並用於治療疾病，加工飲用水、雞尾酒以及處理原油。據說，在有磁場情況下，種子發芽更快，斷骨恢復得更好。磁石也被認為具有負面效應。帕羅素蘇斯 (Paracelsus，一位 16 世紀瑞士的醫師和煉金術士) 相信，磁石的效用取決於哪個磁極面向患者——這個迷信得到了很多網站的宣揚，還讓許多癌癥患者為南極和北極的「正確定義」而苦惱不已。然而，自吉爾伯特 (William Gilbert) 始，理性懷疑論者就不斷地揭穿關於磁性的各種迷信。
本章在堅實的科學基礎上，一窺磁性在醫藥、生物和電化學 (領域的) 的交叉學科套用，以及與液體相關的磁現象。最後，我們走出實驗室，一瞅更大的尺度下——行星、恒星與銀河系相關的磁性現象。這些專題五花八門，但多數涉及流體，有些還涉及磁流體動力學。
15.1
磁性液體
盡管穩定、均一的鐵磁液體是可以存在的，金屬玻璃也表明晶格並非鐵磁序的前提條件，但是在金屬體系中，熔點似乎總是超過居禮點。兩者
15.1.1 順磁液體
有效磁化率 X 的範圍從0到大約10 ^（ -3）的磁性離子的順磁性溶液都可以用
這個效應是磁場的二次函式，因此與磁場的方向無關。例如，將開口的容器放在超導螺線管的水平孔裏，那麽磁場裏的液面相對於磁場外有所下降。這就是摩斯效應 (Moses effect) ，盡管紅海的磁化率與純水略
現在考慮一根在燒杯中由水平細鐵絲拉成的環，燒杯放在均勻的垂直磁場中 (圖15.1(a)) 。註入的順磁溶液將沿著鐵絲形成一個管，管的位置處於磁場所決定的兩個穩定位置中的一個。一個穩定位置在鐵絲上面，另一個在鐵絲下面。在圖15.1(b)中，一段拉直的鐵絲水平放置，並施加與鐵絲垂直的水平磁場，註入的順磁液體管會穩定在鐵絲的上下兩側。利用液體管的感應磁矩和鐵磁性鐵絲磁矩的偶極-偶極交互作用，可以解釋順磁液體的這種行為。順磁液體就像被彈性薄膜包裹著一樣。順磁
適用於順磁液體的管壁。由於有效管半徑取決於水槽的尺寸，而水槽尺寸是順磁液管半徑的許多倍，因此按管半徑的四次方變化的體積流量就大幅加大了。一個結果是，在磁場限制的微升體積裏，快速混合成為可能。
15.1.2 鐵磁流體和膠體
鐵磁流體 (ferrofluid) 很像鐵磁性液體 (ferromagnetic liquid) ，但它實際是在油或水中懸浮著的極小超順磁顆粒的膠體。1960年代開發的化學技術能夠把直徑為3—15 nm的磁鐵礦或赤鐵礦奈米顆粒分散開，並使其在外磁場下也不會因偶極-偶極交互作用而聚整合鏈。為了使膠體穩定，必須削弱按 r -3衰減偶極交互作用。使磁性顆粒相互分離的方法是把顆粒嵌入或包裹在聚合物中。在磁性氧化物顆粒表面塗上表面活性劑分子有助於使其分散在水中。抑或使奈米顆粒帶電，也可使其分散在離子液體中。
圖15.2 磁化曲線:(a) 鐵磁液體；(b)包含SPIONs的磁性奈米微球(由Fiona Byrne提供數據)
場把磁化率限制到1/ N (見第2.2.6小節) 。對分散良好的球形顆粒( N =1/3)，外部磁化率為3。因此在0.05一5 T磁場下，鐵磁流體的磁化強度可以達到其飽和值( x =10)的90%。一些特殊的鐵磁液體是將非球形、針狀或板狀奈米顆粒懸浮在液晶中構成的。
鐵磁流體表現出一些奇異的性質。在垂直於表面的磁場下，為了在退磁場中盡量降低其能量，形成了峰狀結構，在磁化趨近飽和時尤其明顯。另外，對於浸入鐵磁液體的物體，磁場可以調控其浮力 (見第15.3 節) 。
鐵磁流體的主要套用領域是密封。利用適當的磁體，把油基的鐵磁流體放置在合適的位置可實作密封，如果是選用低蒸氣壓的油，就可構成旋轉式真空密封。鐵磁流體密封的套用包括分子泵軸承和真空系統的旋轉貫穿件。在喇叭音圈中采用鐵磁流體密封，可以提供阻尼和散熱的通路。鐵磁流體的其他用途還包括磁性墨水、磁懸浮和磁分離。
在油基液體中分散的鐵磁性顆粒的另一種套用是磁流變液體。磁流變液體中的磁性顆粒具有微米尺寸，而且是多疇的，體積分數也比鐵磁流體高很多，f~70%。當其中的顆粒被磁化時，其偶極交互作用也大許多。因此，施加磁場可以把黏滯系數增加好幾個數量級這些磁流變體套用於機械離合器和懸掛系統中。一些典型的性質列舉見表15.1。
超順磁性氧化鐵奈米顆粒 (SPION) 也可以分散在球形聚合物微珠中。已經發現這些微珠的各種診斷和治療套用 (見第15.4 節) 。它們的磁化曲線類似於鐵磁流體。
15.2
磁電化學
磁學與電化學的交叉領域有兩個不同的方向。一個是用電化學沈積方法制備磁性薄膜或塗層，另一個是磁場調控電化學過程。
15.2.1 電化學沈積
電化學沈積是一種常規的和成熟的制備鐵磁金屬及其合金如Co-Fe和Ni-Fe等的方法，尤其是制備坡莫合金。在電勢給定的情況下溶質傳輸是電化學電流的主要制約因素，對電化學槽中的金屬離子的水溶液 (包括一些特殊的用以提高電鍍薄膜平整性的添加劑) 不斷攪拌可以提高電鍍效率。選擇沈積的條件以確保水分解而在陰極析出的氫氣不會破壞薄膜沈積的品質。只要外加電壓超過還原電勢，金屬就會在陰極沈積。例
原子組成比例可能有很大差異。在沈積時施加外磁場，可以讓制備的軟磁薄膜具有易軸。這個效應與磁場退火相似——Fe-Fe原子取向平行於外磁場方向而產生了些許織構。
在背面金屬化了的多孔絕緣膜上進行電化學沈積，可以得到奈米線 (見第 8 章) 。常用的是具有六角密平行排列的微孔氧化鋁樣版。透過在兩個沈積電位間不斷轉換，用一個電化學槽就可以制備獲得多層薄膜。從
硬磁稀土合金如SmCo5等不能夠用水溶液電鍍沈積得到。因為在使Sm離子還原所要求的較大負電壓下，電流幾乎完全由游離水產生的質子承載。而CoPt 等硬磁相是可以基於水溶液電鍍沈積制備的。在制備時這些合金為無序的fcc結構，但經900 K退火後就可具有四方Ll0結構並顯示出磁滯特性 (見第11.2.1小節) 。
15.2.2 磁場的影響
磁場可以透過兩種方式影響電化學的過程。一是透過作用在電化學槽電流密度 j 上的勞侖茲力，勞侖茲力的體密度為
當磁場平行於電化學槽的電極時，勞侖茲力產生對電解液的對流攪拌。離子在陰極還原為金屬。離子向陰極的輸運由濃度梯度▽ c 決定，其中 c 是以莫耳每立方米為單位的離子濃度。電流密度 j = D ▽ c ，其中 D 是擴
15.3
磁懸浮
15.3.1 靜態懸浮
當恩紹在1842年證明不可能僅利用靜電場使帶電粒子懸浮時，懸浮的夢想一度成為泡影。恩紹定理可以表述為：在靜電場、靜磁場和重力場的任何恒定組合下，具有電荷、磁性或品質的物體都不可能穩定地保持靜止。這可以如下理解：磁體可以視為具有磁荷 q m靜態分布的物體，其能量滿足拉普拉斯方程式。只要任何物體的能量 ε 滿足拉普拉斯方程式
作用在偶極子上的力對整個球面積分後為零，因此如果在一些方向是負向的回復力，在其他方向的力就必定是正向的，將偶極子拉離不穩定的平衡點O。
第13章討論過的永磁體軸承的一個特點是，總要求在一個方向有機械限制(或主動的電磁伺服系統)。軸承的勁度系數 K 是向量，其分量
圖15.3 磁懸浮列車
盡管有恩紹定理，但被動懸浮並不完全是夢想。恩紹定理的適用是有條件的。為打破定理的制約，我們所需的是非恒定的磁場，這個磁場是能對磁矩m位置響應的。這可以透過在磁體周圍引入抗磁材料實作，抗磁材料可提供一個被動的排斥反饋磁場，這個反饋場隨磁體與其距離減小而增加。超導體是最強的抗磁體， X =-1。磁體在超導體中產生映像磁體，如圖2.15(b)所示，並且磁體和其映像之間的排斥力具有自調節的性質，這個排斥力隨著磁體靠近超導體而增大，隨著磁體遠離超導體而減小。品質很大的物體也可以透過這樣的方式懸浮起來。
最強的非超導抗磁體是石墨和鉍，它們的無因次磁導率是超導體的 1/1000 (表3.4) 。既便如此，微弱的磁映像依然可以使得一片定向石墨懸浮在稀土永磁體上方約1 mm的地方。更常見的是，利用石墨片使磁體在原來非穩定平衡位置處保持穩定，在非穩定平衡位置處的 K z是負的而 K r，是正的。圖15.4 所示就是這種完全可以在室溫下操作的被動懸浮器件。
圖15.4 利用抗磁材料實作穩定的懸浮：(a) 一片定向石墨懸浮在永磁體陣列上；(b) 一個較小的永磁體懸浮在其上方磁體的梯度磁場中，這個平衡透過兩片石墨片而得以穩定；(c)與(b)相似的設定，但是采用了超導磁體，這個平衡透過兩個抗磁性的手指而得以穩定(Geim A K,Simon M D,Boemfa M l,et al. Nature1999, 400 (324))
永磁體也可以實作對含水物體的磁懸浮，只不過懸浮的必要條件只有在非常接近磁體表面處透過在亞公釐尺度調整永磁鐵才能獲得滿足。在另一尺度下，可以透過磁性原子阱懸浮具有未配對電子的原子。
因此其可以用來在較小的非均勻磁場中懸浮和區分任何物體。反過來，自身具有非均勻磁場的磁體置於鐵磁流液體裏的時候就會自發地懸浮起來 (盡管由於鐵磁流體是不透明的，力無法看見 )。
使用抗磁和順磁液體都不違背恩紹定理的限定。哈里遜 (Roy Harrison) 在1983 年發現，在磁場梯度中旋轉的磁體可以在一個很小的區域裏穩定地懸浮起來。磁懸浮更實際的用處是利用射頻渦電流在適當設計的冷坩堝懸浮熔融金屬。
15.3.2 射頻磁懸浮
利用高頻的磁場，可以非接觸地懸浮、加熱和攪拌導電液體。基於高頻磁場，這些操作都很方便。同時施加靜態磁場可以對導電液體的運動施加阻尼，而且作用在感應電流上的勞侖茲力滿足：
其中 v 是液體的速度，高頻磁場和靜態磁場一起構成了材料電磁處理技術的基礎。這些技術在近幾十年蓬勃發展。磁阻尼被用於控制鋼坯澆鑄時的渦旋，以及從熔融液中生長半導體晶體時產生的對流加熱和攪拌用在感應爐中，其設計自1887年費倫蒂 (Sebastian Ferranti) 首次提出以來就沒有大的改變。對射頻磁懸浮感興趣的則是更近的事情，相應的商業套用開始於1960年代。
在射頻懸浮感應爐中 (圖15.7) ，射頻線圈繞制成籃狀，使得熔融的金屬液滴受到垂直於表面的磁壓的支撐。表面的形狀決定於重力、磁力和表面張力的平衡。在底部中心處沒有磁壓，熔融液滴高度產生的壓力只能靠表面張力來平衡，因此懸浮的熔融液滴有一個最大尺寸。較大的懸浮液滴就會沿著豎直軸滴落。利用這一效應連續地從上方投入原料，就可以產生液體金屬噴流，其流量可以透過變化射頻功率來調整。
圖15.7 射頻感應爐（感謝Ambrell公司）
在另一個完全不同的尺度下，超導磁體產生的磁場套用於壓縮環形托卡馬克反應器 (如ITER) 中溫度高達10 ^ 8 K的電漿，這是先進核融合研究中的尖端課題。
作者簡介
Coey教授是凝聚態物理和磁學領域的國際知名專家，是愛爾蘭皇家科學院院士、英國皇家科學院院士、美國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。他長期從事「磁學和磁性材料」及「自旋電子學」研究，在 Nature、Science 等重要國際學術雜誌上發表SCI論文800余篇，論文總參照量超過60000次、H因子達110；其中被參照超過千次的論文有10篇、被參照超過百次的論文有100余篇。榮獲愛爾蘭皇家科學院金獎、愛爾蘭皇家都柏林協會/英特爾獎、馬克斯·玻恩獎等27項獎項。曾任愛爾蘭皇家學會副主席、 Phys. Rev. Lett. 和 J. Magn. Magn. Mater .等專業雜誌的顧問編委。他撰寫和出版了 Magnetic Glasses (Elsevier 1984)； Rare Earth Iron Permanent Magnets (Oxford 1996)； Permanent Magnetism (IOP 1999)； Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press 2010)等6部磁學方面的專著，具有廣泛的學術影響力。
Coey教授早在1976年前就開始了與中國學者的合作研究，例如他與王震西研究員的合作論文發表在物理評論快報[ Phys. Rev. Lett. 36 (1976) 1061]上。在過去40多年裏，他一直與中國科學院物理研究所磁學室保持著長期合作關系。1980年，他受王震西研究員 (院士、三環公司董事長) 邀請，在物理研究所開展了關於「穆斯堡爾譜」講習班，隨後的20年間他為中國培養了近20位穆斯堡爾譜研究學者，對中國該領域研究做出了傑出貢獻。1988年Coey教授被中國科學院周光召院長聘為物理研究所磁學實驗室學術委員會委員；目前仍擔任中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室「自旋電子學材料、物理和器件」課題組的客座教授。1981-2023年，共有30余位中國學者到Coey實驗室攻讀碩士博士學位、交流存取或做博士後研究工作。
2002年7月，Coey教授作為愛爾蘭基金會代表團副團長存取科技部，參與簽署了中愛政府間科技合作協定。他本人還與中方物理研究所韓秀峰研究員簽署了課題組間長期合作協定，隨後於2003年和2018年獲得國家基金委的中愛重大國際合作計畫資助；2004、2006和2009年連續獲得了中國科技部和愛爾蘭基金會雙邊資助的兩年期中愛國際合作計畫資助。中愛雙方在上述國際合作計畫資助下合作發表SCI學術論文20篇。雙方課題組先後互派碩士博士研究生和博士後互訪及合作研究各超過10余人次；Coey教授本人也先後20余次來中國科學院物理研究所等國內科研院所進行學術交流和存取。2010年Coey教授被聘請為中國科學院愛因史坦講席教授；2014年被聘請為國家級高層次海外引進人才和北航客座教授；2020年獲「北京市科學技術獎國際合作中關村獎」；2022年獲「中國科學院國際科技合作獎」等。
本文經授權轉載自微信公眾號「中國物理學會期刊網」。
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