磁致伸缩效应

前沿

院多学科材料研究中心博士生任帅在导师任晓兵教授的指导下，发现了一种基于新原理的磁致伸缩效应，获得了在小驱动磁场下的大磁致伸缩效应。该发现有望为设计高性能磁致伸缩材料提供一种全新方法。该项成果于9月23日在线发表在物理学旗舰期刊Physical Review Letters上，并被该期刊编辑选为PRL Editors’ Suggestion，论文题目为：“Low-Field-Triggered Large Magnetostriction in Iron-Palladium Strain Glass Alloys”。前沿院为该论文的第一作者单位及通讯作者单位。

磁致伸缩材料是一类在磁场作用下产生长度伸缩的智能材料，被广泛用于制作包括磁驱动器、传感器以及换能器等在内的各种智能器件。理想的磁致伸缩材料能够在很小的磁场下产生大的长度变化，但传统磁致伸缩材料基于铁磁畴在磁场下翻转带来的微小长度变化，因此该效应通常极其微弱，绝大多数材料的磁致伸缩效应不超过数10ppm。另一类原理上具有大磁致伸缩效应的材料是铁磁马氏体材料，依靠磁场诱发马氏体畴的反转或相变，理论上可以实现巨大的磁致伸缩，但需要高达1特斯拉以上的强磁场（需要近一吨重的磁铁）才有可能驱动，这一重大缺点使得基于铁磁马氏体的磁致伸缩材料无法得到应用。因此，获得在小驱动磁场下的大磁致伸缩是该领域长期以来难以解决的重大难题，同时也是研究人员追求的终极目标。

任帅等人发现了一种不同于上述机制的，一种基于“铁磁应变玻璃”的全新磁致伸缩机制，实现了在低场下获得大磁致伸缩效应，从而解决了上述难题。铁磁应变玻璃是任晓兵教授研究团队近年来发现的一种新的磁性状态，它的微观特征为具有玻璃弛豫特征的铁磁性纳米马氏体畴。他们的研究发现：这些具有纳米马氏体特征的铁磁性应变玻璃，其铁磁纳米马氏体畴可以在低磁场下翻转从而实现了低磁场下的大磁致伸缩效应。在Fe-Pd铁磁应变玻璃中他们实现了在0.08特斯拉的小磁场下产生高达800ppm的大应变。

该成果为开发高性能磁致伸缩材料提供了新原理和新方法，有望引发磁致伸缩材料的新一轮研究热潮。论文全文见https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.125701。前沿院纪元超副教授、理学院杨森教授、金属材料国家重点实验室薛德祯副教授等参加了部分研究工作。该成果得到了国家自然科学基金委重点基金、973项目的支持。