眾所周知，“熱脹冷縮”是自然界的一種普遍現(xiàn)象。本質(zhì)上，材料的熱膨脹性質(zhì)與原子的受熱振動密切相關(guān)。由于各組成材料熱膨脹系數(shù)的不匹配，可導致相應器件的性能惡化甚至失效。因此，如何調(diào)控材料熱膨脹性質(zhì)是基礎(chǔ)研究與實際應用普遍關(guān)注的科學問題。目前對于熱膨脹性質(zhì)的調(diào)控主要集中在元素摻雜、尺寸效應或缺陷化學等方面，鮮有利用外磁場進行熱膨脹調(diào)控的研究。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室龍有文研究員團隊和重慶大學孫陽教授團隊通過外磁場罕見地實現(xiàn)了材料熱膨脹系數(shù)大小乃至符號的有效調(diào)控。在前期研究中，龍有文團隊采用常規(guī)固相燒結(jié)法制備出了鋯石型（zircon-type）z-DyCrO4，經(jīng)過高壓高溫處理后，獲得了白鎢礦型（scheelite-type）s-DyCrO4新相。研究表明，z-DyCrO4在居里溫度TC ≈ 23 K時，發(fā)生順磁-鐵磁相變（如圖1a所示），并且零磁場時其鐵磁態(tài)表現(xiàn)出反常的負熱膨脹行為（如圖1b所示）。不同于常壓z-DyCrO4的鐵磁相變，s-DyCrO4高壓新相在奈爾溫度TN ≈ 24 K時發(fā)生反鐵磁相變（如圖1c所示），并且在零場時其順磁和反鐵磁態(tài)均表現(xiàn)出正熱膨脹（如圖1d所示）。然而，出乎意料的是，利用磁場可實現(xiàn)這兩種不同構(gòu)型DyCrO4熱膨脹系數(shù)大小以及符號的改變。如圖2a所示，當應用1 T磁場時，即可把z-DyCrO4的負熱膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)檎裏崤蛎洠译S著磁場增加，其正熱膨脹系數(shù)逐漸增大并在4 T以上趨于飽和（圖3a所示）。另一方面，對于s-DyCrO4，外加磁場可逐漸減少正熱膨脹系數(shù)，并在2 T和3 T時誘導負熱膨脹的出現(xiàn)，但更高的磁場（>3.5 T）可再次實現(xiàn)負熱膨脹到正熱膨脹的轉(zhuǎn)變（如圖2b和3b所示）。進一步研究表明，由于稀土離子的存在，這兩種不同的DyCrO4相均具有很大的磁致伸縮效應（如圖4所示），磁場作用下的強自旋-晶格耦合是引起上述新奇熱膨脹轉(zhuǎn)變行為的主要原因。
該研究工作給出了第一個由磁場調(diào)控改變熱膨脹符號的實例，為材料熱膨脹性能的調(diào)控提供了一種可行的簡易途徑。相關(guān)成果“Magnetic-Field-Induced Sign Changes of Thermal Expansion in DyCrO4”以Express Letter的形式發(fā)表在《Chinese Physics Letters》上，物理所磁學國家重點實驗室M09組何金城博士和M08組潘昭副研究員為共同第一作者，物理所龍有文研究員和重慶大學孫陽教授為共同通訊作者。文章一經(jīng)發(fā)表，受到了英國皇家物理學會Physics World的關(guān)注，被選為Research Update進行推薦報導。該工作獲得了科技部、基金委、北京市、中科院等項目的支持。
圖1. (a) z-DyCrO4磁化率隨溫度的變化關(guān)系；(b) 零場時z-DyCrO4線性熱膨脹的溫度依賴性；(c) s-DyCrO4磁化率隨溫度的變化關(guān)系；(d) 零場時s-DyCrO4線性熱膨脹的溫度依賴性。
圖2. 不同磁場下(a) z-DyCrO4和(b) s-DyCrO4的熱膨脹性質(zhì)。
圖3. (a) z-DyCrO4的熱膨脹系數(shù)隨磁場強度增加逐漸由負變?yōu)檎?b) s-DyCrO4的熱膨脹系數(shù)隨磁場強度增加由正變負再變成正。
圖4. 不同溫度下(a) z-DyCrO4和(b) s-DyCrO4的磁致伸縮行為隨磁場強度的變化關(guān)系。
文章鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/6/066501
Physics World網(wǎng)站報導
https://physicsworld.com/a/applied-magnetic-field-flips-a-materials-thermal-expansion/?notification=onesignal
