磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)用

前沿

院多學(xué)科材料研究中心博士生任帥在導(dǎo)師任曉兵教授的指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)了一種基于新原理的磁致伸縮效應(yīng)，獲得了在小驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下的大磁致伸縮效應(yīng)。該發(fā)現(xiàn)有望為設(shè)計(jì)高性能磁致伸縮材料提供一種全新方法。該項(xiàng)成果于9月23日在線發(fā)表在物理學(xué)旗艦期刊Physical Review Letters上，并被該期刊編輯選為PRL Editors’ Suggestion，論文題目為：“Low-Field-Triggered Large Magnetostriction in Iron-Palladium Strain Glass Alloys”。前沿院為該論文的第一作者單位及通訊作者單位。

磁致伸縮材料是一類在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生長(zhǎng)度伸縮的智能材料，被廣泛用于制作包括磁驅(qū)動(dòng)器、傳感器以及換能器等在內(nèi)的各種智能器件。理想的磁致伸縮材料能夠在很小的磁場(chǎng)下產(chǎn)生大的長(zhǎng)度變化，但傳統(tǒng)磁致伸縮材料基于鐵磁疇在磁場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)帶來的微小長(zhǎng)度變化，因此該效應(yīng)通常極其微弱，絕大多數(shù)材料的磁致伸縮效應(yīng)不超過數(shù)10ppm。另一類原理上具有大磁致伸縮效應(yīng)的材料是鐵磁馬氏體材料，依靠磁場(chǎng)誘發(fā)馬氏體疇的反轉(zhuǎn)或相變，理論上可以實(shí)現(xiàn)巨大的磁致伸縮，但需要高達(dá)1特斯拉以上的強(qiáng)磁場(chǎng)（需要近一噸重的磁鐵）才有可能驅(qū)動(dòng)，這一重大缺點(diǎn)使得基于鐵磁馬氏體的磁致伸縮材料無法得到應(yīng)用。因此，獲得在小驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)下的大磁致伸縮是該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來難以解決的重大難題，同時(shí)也是研究人員追求的終極目標(biāo)。

任帥等人發(fā)現(xiàn)了一種不同于上述機(jī)制的，一種基于“鐵磁應(yīng)變玻璃”的全新磁致伸縮機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在低場(chǎng)下獲得大磁致伸縮效應(yīng)，從而解決了上述難題。鐵磁應(yīng)變玻璃是任曉兵教授研究團(tuán)隊(duì)近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的磁性狀態(tài)，它的微觀特征為具有玻璃弛豫特征的鐵磁性納米馬氏體疇。他們的研究發(fā)現(xiàn)：這些具有納米馬氏體特征的鐵磁性應(yīng)變玻璃，其鐵磁納米馬氏體疇可以在低磁場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)了低磁場(chǎng)下的大磁致伸縮效應(yīng)。在Fe-Pd鐵磁應(yīng)變玻璃中他們實(shí)現(xiàn)了在0.08特斯拉的小磁場(chǎng)下產(chǎn)生高達(dá)800ppm的大應(yīng)變。

該成果為開發(fā)高性能磁致伸縮材料提供了新原理和新方法，有望引發(fā)磁致伸縮材料的新一輪研究熱潮。論文全文見https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.125701。前沿院紀(jì)元超副教授、理學(xué)院楊森教授、金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室薛德禎副教授等參加了部分研究工作。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金、973項(xiàng)目的支持。