تقریباً هر ماده ای، اعم از جامد، مایع یا گاز، وقتی دمایش بالا می رود منبسط شده و وقتی دمایش پایین می آید منقبض می شود. این خاصیت که انبساط حرارتی نامیده می‌شود، باعث می شود که یک بالون هوای گرم در هوا حرکت کند و همچنین این پدیده برای ایجاد ترموستات‌هایی که به طور خودکار فن کویل های خانگی را روشن و خاموش می‌کنند، استفاده می شود. راه‌آهن‌ها، پل‌ها و ساختمان‌ها با در نظر گرفتن این ویژگی طراحی شده‌اند و به آنها فضایی داده می‌شود تا بدون کمانش یا شکستن در یک روز گرم گسترش پیدا کنند.
انبساط حرارتی به این دلیل رخ می دهد که اتم های یک ماده با افزایش دمای آن بیشتر می لرزند. هر چه اتم های آن بیشتر ارتعاش کنند، بیشتر از اتم های همسایه خود دور می شوند. با افزایش فضای بین اتم ها، چگالی ماده کاهش می یابد و اندازه کلی آن افزایش می یابد.
چند استثنا وجود دارد، اما به طور کلی، مواد به شدت با این اصل مطابقت دارند. با این حال، دسته‌ای از آلیاژهای فلزی به نام آلیاژ اینوار Invars (تغییر ناپذیر) وجود دارد که سرسختانه از تغییر اندازه و چگالی در طیف وسیعی از دماها خودداری می‌کنند.
استفان لوهاوس، دانشجوی فارغ التحصیل رشته علم مواد و نویسنده اصلی این مقاله جدید، می گوید: «پیدا کردن فلزاتی که منبسط نمی شوند تقریباً ناشناخته بود. اما در سال 1895، یک فیزیکدان به طور تصادفی کشف کرد که اگر آهن و نیکل را که هر کدام دارای انبساط حرارتی مثبت هستند، به نسبت معینی ترکیب کنید، این ماده با رفتار بسیار غیرعادی به دست می آید.
این رفتار غیرعادی باعث می شود که این آلیاژها در کاربردهایی که به دقت بسیار زیادی نیاز است، مانند ساخت قطعات ساعت، تلسکوپ و سایر ابزارهای ظریف، مفید باشند. تا به حال هیچ کس نمی داند چرا اینوارها اینگونه رفتار می کنند. در مقاله جدیدی با عنوان “توضیح ترمودینامیکی اثر Invar” که در Nature Physics منتشر شده است، محققان آزمایشگاه برنت فولتز، باربارا و استنلی آر. راون جونیور، پروفسور علوم مواد و فیزیک کاربردی، می گویند که آنها به این نتیجه رسیده اند که راز پایداری حداقل یک اینوار را پیدا کرده اند.
برای بیش از 150 سال، دانشمندان می دانستند که انبساط حرارتی با آنتروپی، یک مفهوم اصلی در ترمودینامیک، مرتبط است. آنتروپی معیاری از بی نظمی است، مانند موقعیت اتم ها، در یک سیستم. با افزایش دما، آنتروپی یک سیستم نیز افزایش می یابد. این به طور کلی صادق است، بنابراین رفتار غیرمعمول یک Invar باید از طریق چیزی که با آن گسترش مقابله کند توضیح داده شود.
لوهاوس می‌گوید که مدت‌ها گمان می‌رفت که این رفتار به نوعی با مغناطیس مرتبط است، زیرا تنها آلیاژهای خاصی که فرومغناطیسی هستند (قابلیت مغناطیسی شدن) مانند اینوار رفتار می‌کنند.
از آنجایی که خواص مغناطیسی یک ماده نتیجه به اصطلاح حالت اسپین الکترون های آن است – اندازه گیری کوانتومی تکانه زاویه ای که می تواند “بالا” یا “پایین” باشد، هر گونه اثر مغناطیسی که انبساط مورد انتظار ماده را خنثی می کند باید ناشی از آن باشد.
رابطه بین آنتروپی، انبساط حرارتی و فشار، معروف به “روابط ماکسول” (Maxwell relations) اغلب به عنوان یک کنجکاوی کتاب درسی ارائه می شود، اما گروه Caltech راهی برای استفاده از آن برای اندازه گیری مستقل انبساط حرارتی ناشی از مغناطیس و ارتعاشات اتم پیدا کرد. آزمایش‌ها در منبع فوتون پیشرفته، منبع پرتوهای ایکس سنکروترون در آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی، با اندازه‌گیری طیف ارتعاشی و مغناطیس نمونه‌های کوچک Invar در فشار درون سلول سندان الماسی انجام شد.
اندازه‌گیری‌ها تکذیب انبساط حرارتی از ارتعاشات اتمی و مغناطیس را نشان داد. هر دو با دما و فشار تغییر کردند، اما به نحوی که تعادل خود را حفظ کردند. با استفاده از یک رویکرد نظری دقیق جدید توسعه یافته، همکاران در این کار نشان دادند که چگونه این تعادل توسط فعل و انفعالات بین ارتعاشات و مغناطیس کمک می کند، مانند جایی که فرکانس ارتعاشات اتم توسط مغناطیس تغییر می کند. چنین جفتی بین ارتعاشات و مغناطیس می تواند برای درک انبساط حرارتی در سایر مواد مغناطیسی و همچنین برای توسعه مواد برای تبرید مغناطیسی مفید باشد.
مجموعه آزمایشی شامل یک سلول سندان الماسی بود که در اصل دو نوک الماس کاملاً آسیاب شده است که نمونه‌هایی از مواد را می‌توان محکم بین آنها فشرده کرد. در این حالت قطعه کوچکی از آلیاژ اینوار در فشار 200000 اتمسفر فشرده شد. محققان یک پرتو قدرتمند از پرتوهای ایکس را از میان آلیاژ عبور دادند و در طی آن پرتوهای ایکس با ارتعاشات (فونون) اتم‌های آن برهم‌کنش داشتند. این فعل و انفعال مقدار انرژی حمل شده توسط پرتوهای ایکس را تغییر داد و به محققان این امکان را داد که میزان ارتعاش اتم ها را اندازه گیری کنند.
آنها همچنین حسگرهایی را در اطراف سلول سندان الماس قرار دادند که می تواند الگوهای تداخل ایجاد شده توسط حالت اسپین الکترون های متعلق به اتم های نمونه را تشخیص دهد.
این تیم از تنظیمات آزمایشی خود برای مشاهده هر دو ارتعاشات اتمی یک نمونه Invar و وضعیت اسپین الکترون های آن با افزایش دمای نمونه استفاده کردند. در دماهای سردتر، تعداد بیشتری از الکترون‌های Invar حالت اسپینی مشابهی داشتند که باعث می‌شد از هم دورتر شوند.
با افزایش دمای Invar، وضعیت اسپین برخی از آن الکترون ها به طور فزاینده ای تغییر می کند. در نتیجه، الکترون‌ها با الکترون‌های همسایه‌شان راحت‌تر شدند. به طور معمول، این باعث می شود که اینوار در حین گرم شدن منقبض شود. اما در اینجا، اتم های اینوار نیز بیشتر ارتعاش می کردند و فضای بیشتری را اشغال می کردند. انقباض ناشی از تغییر حالت‌های اسپین و انبساط ارتعاش اتمی یکدیگر را خنثی کردند و اینوار به همان اندازه باقی ماند.
لوهاوس می‌گوید: «این هیجان‌انگیز است، زیرا بیش از صد سال است که این یک مشکل در علم بوده است. “به معنای واقعی کلمه، هزاران نشریه وجود دارد که تلاش می کنند نشان دهند که چگونه مغناطیس باعث انقباض می شود، اما هیچ توضیحی جامع از اثر Invar وجود نداشت.”
