巨大磁歪CoFe₂O₄の謎を解明~室温で使える磁石材料の核心に迫る~

2025-12-05 京都大学

国際共同研究チームは、室温で最大級の磁歪を示す非希土類磁性材料 CoFe₂O₄(コバルトフェライト) の巨大磁歪発現メカニズムを、中性子散乱と理論解析により初めて明確にした。逆スピネル構造をもつ本材料では、AサイトとBサイトに位置する鉄・コバルトイオンがつくる分子場が著しく不均衡であることが特徴で、この不均衡が 約60 meV におよぶマグノンのバンド分裂 を生み出すことが判明した。バンド分裂によって磁場による構造ドメイン切り替えが起こりやすくなり、巨大磁歪が発現する。また、低エネルギーモードに 3 meV の異方性ギャップ を確認し、室温近傍での磁気安定性の源であることも示した。これらの知見は、低電力磁歪アクチュエータやスピン熱電デバイスなど、環境調和型磁気デバイスの材料設計に新たな指針を与える。

巨大磁歪CoFe₂O₄の謎を解明~室温で使える磁石材料の核心に迫る~
MAPS 分光器で測定されたCoFe₂O₄のスピン波スペクトル(左)と、それに対応するスピン波計算(右)。約60 meVに及ぶ二つのマグノン分散の大きな分裂は、挿入図の結晶構造に示すように、AサイトとBサイトの陽イオンに作用する分子場が強く不均衡であることに起因している。(作成:南部雄亮)

<関連情報>

磁歪性CoFe2O4における異方性バンドスプリット磁性 Anisotropic Band-Split Magnetism in Magnetostrictive CoFe2O4

Harry Lane, Guratinder Kaur, Masahiro Kawamata, Yusuke Nambu, Lukas Keller, Russell A. Ewings, David J. Voneshen, Travis J. Williams, Helen C. Walker, Dwight Viehland, Peter M. Gehring, Chris Stock
Advanced Functional Materials  Published: 12 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202516830

Abstract

Single crystal spinel CoFe2O4 exhibits the largest room-temperature saturation magnetostriction among non-rare-earth compounds and a high Curie temperature (Tc~780  K), properties that are critical to a wide range of industrial and medical applications. Neutron spectroscopy reveals a large band splitting (∼60 meV) between two ferrimagnetic magnon branches, which is driven by site mixing between Co2+ and Fe3+ cations, and a significantly weaker magnetocrystalline anisotropy (∼3 meV). Central to this behavior is the competition between vast mismatched molecular fields on the tetrahedral A-site and octahedral B-site sublattices and the single-ion anisotropy on the B-site. This creates a strong, energetic anisotropy that locks the magnetic moment within each structural domain in place. As a result of these differing energy scales, switching structural domains is energetically favored over a global spin reorientation under applied magnetic fields, and this is what amplifies the magnetostrictive nature of CoFe2O4.

0703金属材料
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