와세다대학과 아오야마학원대학의 공동연구에서, 식히면 팽창하는 물질인 '역페로브스카이트형 망간질화물'의 '부의 열팽창' 메커니즘이 세계 최초로 해명되었다.
일반적으로, 물질은 식히면 수축하고, 따뜻하게 하면 팽창하지만, 역페로브스카이트형 망간 질화물은 식히면 큰 체적 팽창을 나타내는 것이 알려져 있다.그러나 왜 식히면 팽창하는가 하는 물리적 메커니즘은 40년 이상 수수께끼였다.
한편, 역페로브스카이트형 망간 질화물은 온도 강하에 따라 망간 이온 상의 전자의 스핀이 정렬되는 것도 알려져 있다.그래서 이번 연구에서는 '전자 스핀의 정렬 현상'과 '음의 열팽창 현상'의 관계성에 주목했다.
연구그룹은 우선 전자스핀간에 스핀끼리를 반평행에 맞추려고 하는 상호작용과 평행하게 맞추려고 하는 상호작용의 2종류가 작용하고 있는 것을 밝혀냈다.그리고, 이들이 경쟁하고 있기 때문에, 통상의 물질과 같이 체적을 수축시키는 것보다, 체적을 팽창시켜 이온끼리를 놓는 것이, 스핀간 상호작용이 강해지는 것을 발견했다.따라서 온도를 낮추고 스핀 정렬이 일어나면 스핀간 상호작용을 강화하기 위해 결정체적이 자발적으로 팽창하여 '부의 열팽창 현상'이 일어난다고 한다.
이에 의해, 스핀간 상호작용이 경합하는 물질로 부열팽창 현상이 일어날 가능성이 높은 것이 시사되고, 미지의 부열팽창 물질로서 기대되는 결정 구조도 제안되었다.게다가 연구 그룹은 역페로브스카이트형 망간 질화물의 스핀 정렬을 재현하는 수리 모델을 세계 최초로 구축하고 부열 팽창 현상 메커니즘을 이론적으로 완전히 해명하는데 성공했다.
부열 팽창 물질은 통상의 물질과 조합함으로써 온도 변화를 받아도 체적·길이가 변화하지 않는 지금까지 없는 재료의 실현을 가능하게 할 것으로 기대되고 있다.
