早稲田大学と青山学院大学の共同研究で、冷やすと膨張する物質「逆ペロブスカイト型マンガン窒化物」の「負の熱膨張」メカニズムが世界で初めて解明された。
通常、物質は冷やすと収縮し、温めると膨張するが、逆ペロブスカイト型マンガン窒化物は冷やすと大きな体積膨張を示すことが知られる。しかし、なぜ冷やすと膨張するのかという物理的なメカニズムは40年以上も謎だった。
一方、逆ペロブスカイト型マンガン窒化物は、温度降下にともないマンガンイオン上の電子のスピンが整列することも知られている。そこで今回の研究では、「電子スピンの整列現象」と「負の熱膨張現象」の関係性に注目した。
研究グループはまず、電子スピン間に、スピン同士を反平行に揃えようとする相互作用と平行に揃えようとする相互作用の2種類が働いていることを突き止めた。そして、これらが競合しているために、通常の物質のように体積を収縮させるよりも、体積を膨張させてイオン同士を離した方が、スピン間相互作用が強まることを見出した。そのため、温度を下げていきスピン整列が起こると、スピン間相互作⽤を強めるために結晶体積が自発的に膨張し、「負の熱膨張現象」が起こるのだという。
これにより、スピン間相互作用が競合する物質で負熱膨張現象が起きる可能性が高いことが示唆され、未知の負熱膨張物質として期待される結晶構造も提案された。さらに研究グループは、逆ペロブスカイト型マンガン窒化物のスピン整列を再現する数理モデルを世界で初めて構築し、負熱膨張現象メカニズムを理論的に完全に解明することにも成功した。
負熱膨張物質は、通常の物質と組み合わせることで、温度変化を受けても体積・長さが変化しないこれまでに無い材料の実現を可能にすると期待されている。
