野村龙一 白眉センター特定准教授、石松直樹 広島大学助教、岩崎駿 同博士課程学生（研究当時）、甲佐美宇 同博士課程学生（研究当時）、加藤盛也 同博士課程学生、中島伸夫 同准教授、柿澤翔 同助教、北村尚斗 東京理科大学准教授、河村直己 高輝度光科学研究センター主幹研究員、水牧仁一朗 同主幹研究員、入舩徹男 愛媛大学教授らの研究グループは、Fe-Niインバー合金の「インバー効果」と呼ばれる熱膨張が生じずゼロとなるメカニズムが、原子レベルで構造を可視化するとFe-Fe原子間距離の伸び縮みであることを初めて明らかにしました。
熱膨張がゼロになる巨視的な原因はFe-Niインバー合金の大きな磁気体積効果です。磁気体積効果は磁化の自乗に比例して体積が膨張する現象です。この磁気体積効果を原子間距離の伸び縮みとしてミクロに可視化することは、鉄（Fe）とニッケル（Ni）のような原子番号が近い金属原子がランダムに配置する不規則合金ではこれまで困難でした。そこで本研究グループは、この合金を広域X線吸収微細構造（EXAFS）により捉えた元素選択的な短距離構造（< 5?）とX線回折で求めた長距離構造（> 1μm）を大型放射光施設SPring-8のBL39XUにおいて高圧下で測定し、それぞれを矛盾なく満たす合金構造を逆モンテカルロ法で導出しました。その結果、インバー合金中の原子間距離は一様でないこと、磁気体積効果がFe-Fe原子対の伸び縮みで発生することを見出しました。今回新たに確立した解析手法はFe-Ni合金に限らず、今後、様々な不規則合金の構造決定に応用できる技術です。
本研究成果は、2021年6月15日に、国際学術誌「Physical Review B」のオンライン版に掲載されました。
【顿翱滨】
N. Ishimatsu, S. Iwasaki, M. Kousa, S. Kato, N. Nakajima, N. Kitamura, N. Kawamura, M. Mizumaki, S. Kakizawa, R. Nomura, T. Irifune, H. Sumiya (2021). Elongation of Fe-Fe atomic pairs in the Invar alloy Fe??Ni??. Physical Review B, 103(22):L220102.
