核铁磁性和核反铁磁性

　　我们在前面介绍各种物质的磁性时，曾讲到研究和应用最多的是原子磁矩形成有序排列的铁磁性和反铁磁性等材料。原子磁矩是原子中多个电子的总合磁矩，原子磁矩的有序排列是由相邻原子磁矩(自旋)间的相互作用，主要是具有量子力学特点的自旋间的交换作用产生的。那么原子核磁矩是否也会形成有序排列而产生原子核铁磁性和核反铁磁性等？经过实验观测和理论研究，特别是由于高

图5　铜原子核的核反铁磁性

新技术的发展和应用，已经从实验和理论两方面证实了原子核铁磁性(简称核铁磁性)和原子核反铁磁性(简称核反铁磁性)的存在及其特点。但是，从实验中观测到原子核磁矩的有序排列是很不容易的。这一方面是由于原子核磁矩只有原子(电子)磁矩的千分之一或更低，其有序排列要克服热扰动的影响和破坏，就必须在很低的温度下才能实现原子核磁矩的有序排列，另一方面也是由于原子核磁矩很小，要从实验中观测到原子核磁矩的有序排列也是很不容易的。但是经过长期的和利用高新技术的实验研究，还是观测证实了许多物质中的原子核磁矩的有序排列。例如，在金属铜(Cu)、LiH、CaF₂、Ca(OH)₂、PrNi₅、PrCu₅、PrCu₂和PrCu₆等化合物和合金中已经在极低温度下观测到其中的铜(Cu)、锂(Li)、氢(H)、氟(F)、镨(Pr)的原子核磁矩的互相平行排列的核铁磁性，或原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性。图5中示出是铜(Cu)原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性，这是由铜原子核

图6　极低温度下氦-3原子 磁矩的反铁磁结构

磁矩之间的磁偶极相互作用产生的。进一步实验和理论研究表明，铜(Cu)原子核磁矩在60纳开(nk，10^-9K)到300微开(μK，10^-6K)的极低温度范围内已经观测到3种核反铁磁性有序磁结构。另外，化学元素氦(He)有2种不同的同位素氦-4(⁴He)和氦-3(³He)，在自然界中氦－4占绝大多数，其核磁矩和核自旋都为零，氦-3只占约万分之1.3(1.3×10^-4)，但却具有核磁矩和核自旋。在极低温度范围内和不同的高压下，固态氦-3的原子核磁矩具有不同的有序排列的核磁结构。图6中示出是高压下的固态氦-3在较低磁场和较低温度范围内的较复杂的核反铁磁结构，称为UUDD(上上下下)核反铁磁结构。可以看出，在极低温度下出现的核磁矩有序排列的核磁结构也是多种多样的，有的同磁性物质(材料)的原子磁矩有序排列的磁结构相同，也有少数表现出特殊的核磁矩有序排列的核磁结构。

　　从上面的介绍可以看出，原子核的磁性虽然远比一般物质的磁性微弱，但是在一定的条件下也可以表现出来，而且有的还有其特点，有的还得到了重要的应用。