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摘要：本研究阐明了氧化物CoFe2O4室温下表现出最大级磁致伸缩的机制，其起源于“分子场不均衡导致的磁振子能带分裂”与“弱各向异性使磁畴切换变得容易”的结合。

关键词：磁致伸缩、CoFe2O4、分子场、弱各向异性、中子散射

概要

研究小组通过中子散射和理论分析，阐明了作为非稀土材料、在室温下表现出最大级磁致伸缩（磁体改变形状的性质）的氧化物CoFe₂O₄（钴铁氧体）内部变化及其根本机制。

CoFe₂O₄具有逆尖晶石结构，其特点是位于不同位置的铁离子和钴离子所形成的“分子场”大小差异非常大。本研究表明，这种分子场的不均衡导致了“能带分裂”，使磁振子（自旋波）的能量分裂成约60meV，结果使得磁畴结构在磁场中更容易切换，从而引发巨大的磁致伸缩。此外，还确认了磁振子的低能量模式中存在3meV的各向异性能隙，表明这是支撑室温附近磁稳定性的重要因素。

用MAPS光谱仪测量的CoFe2O4的自旋波谱（左）以及与其对应的自旋波计算结果（右）。两个磁振子分散的巨大分裂达约60meV，是由于分子场对A位点和B位点的阳离子产生的作用强烈不均衡所导致，如插图中的晶体结构所示。

背景

磁致伸缩材料具有随外部磁场伸缩的特性，被广泛应用于精密驱动器和传感器等器件。特别是CoFe₂O₄，其不含稀有元素，且具有高达780K的居里温度（作为磁体起作用的温度上限），因此有望在室温下实现产业应用。然而，长期以来人们对其巨大磁致伸缩的产生机制并未充分理解。

在CoFe₂O₄晶体中，存在分为A位点（四面体）和B位点（八面体）的副晶格，其中的Co²⁺和Fe³⁺产生了不同的磁环境。本研究聚焦于在这种副晶格间产生作用的分子场的不均衡如何改变自旋动力学并导致磁致伸缩。

研究方法与成果

利用飞行时间型中子光谱仪（英国ISIS的MERLIN和MAPS），在10K的温度下精确测量了约10g的大型单晶体CoFe₂O₄的自旋激发。结果获得了以下主要发现：

确认两个磁振子模式以约60meV的巨大能量差产生分裂，理论上证明这是由于副晶格A/B的分子场的巨大差异所致。
观测到低能量模式下约3meV的各向异性能隙，确定其起源于Co²⁺的局部晶体场扭曲导致的单离子各向异性。
发现在约75meV附近的“回避交叉（avoided crossing）”，确认这是磁各向异性和交换相互作用竞争导致的特征性分散结构。

通过线性自旋波理论和大规模计算再现了这些测量结果，明确了巨大磁致伸缩的起源是“分子场不均衡导致的磁振子能带分裂”与“弱各向异性使磁畴切换变得容易”的结合。

研究意义及未来计划

本成果将有助于提高不使用稀土、环境负荷小的磁致伸缩器件的性能。特别值得期待的是：

可在低磁场下工作的精密驱动器；
利用温度梯度的自旋塞贝克效应器件；
可在高温环境下稳定工作的磁传感器等多种应用。

今后，通过控制位点混合和优化晶体扭曲来人为调整分子场差，推进设计磁致伸缩量和能量效率的研究。此外，利用能带分裂控制磁振子输运等在自旋电子学领域的应用也很有前景。

术语解释

磁致伸缩（Magnetostriction）：物质尺寸随磁化变化而改变的现象，对驱动器等很重要。
磁振子（Magnon）：自旋波的量子，决定磁性体的自旋动力学的基本激发。
分子场（Molecular field）：副晶格间的交换相互作用产生的有效磁场，在CoFe₂O₄的A/B位点间差异很大。
自旋塞贝克效应：因温度差产生自旋流的现象，可在磁性体与金属界面观测到。

https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2025-12-05-0

https://doi.org/10.1002/adfm.202516830

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