铱掺杂铁钴（Fe-Co-Ir）合金，通过机器学习之前已被识别，显示出增强的磁性特性，甚至超过了广泛使用的纯Fe-Co合金。然而，这种增强的磁化来源尚不甚了解。目前，科学家们采用了一种创新方法，通过高通量X射线磁圆二向色性（XMCD）测量，展示了Ir掺杂的重要作用。这些发现将为设计新型高性能磁性材料奠定基础。
磁性材料在支持现代社会的各种技术中变得不可或缺，例如数据存储设备、电动机和磁传感器。高磁化的铁磁体特别对于下一代自旋电子学、传感器和高密度数据存储技术的发展至关重要。在这些材料中，铁钴（Fe-Co）合金因其强大的磁性而被广泛使用。然而，它们的性能提升存在限制，因此需要一种新的方法。
一些早期的研究表明，由重元素掺杂的铁钴合金外延生长的薄膜表现出显著的高磁化。此外，最近在计算技术上的进展，例如将机器学习与第一性原理计算结合，显著加速了对新材料组成的搜索。铱（Ir）掺杂的Fe-Co合金（Fe-Co-Ir）就是通过机器学习识别的一种材料，已显示出较大磁矩，代表了磁场的强度和方向，甚至超过了传统的Fe-Co合金。然而，识别这些增强磁性特性的来源仍然是一个重大挑战。特别是，Ir掺杂对Fe-Co合金磁性特性的影响仍然不甚了解。
为克服这一挑战，东京科学大学材料科学与技术系的助理教授山崎隆弘（Takahiro Yamazaki）领导的研究团队实施了一种新颖的方法。他们利用材Compositionally graded单晶薄膜上的高通量X射线磁圆二向色性（XMCD）。山崎助理教授解释道：“与之前的多晶薄膜研究不同，我们使用了Compositionally graded的单晶Fe-Co-Ir薄膜，为探测这种增强磁性特性背后的机制提供了更受控的环境。此外，利用世界上最大的同步辐射设施SPring-8，我们进行了XMCD测量，以系统地研究它们的磁性特性。”
团队还包括来自东京科学大学的川崎隆（Takahiro Kawasaki）教授、国立材料科学研究所的岩崎优真（Yuma Iwasaki）博士和桜庭侑也（Yuya Sakuraba）博士、日本同步辐射研究所的川村直美（Naomi Kawamura）博士，以及兵库大学的大河内拓雄（Takuo Ohkochi）教授。他们的研究于2025年3月12日在《物理评论材料》期刊上发表。
利用NIMS的先进技术，团队首先制造了成分梯度薄膜，其中Ir掺杂的量从一端的纯Fe-Co合金线性增加到另一端的含有11原子百分比Ir的Fe-Co合金。然后，团队对这些薄膜进行了软和硬X射线的X射线磁圆二向色性（XMCD）测量。软X射线的能量低于硬X射线，因此更适合用于研究Fe和Co等轻金属，而硬X射线更适合研究Ir等重金属。这种方法提供了对每种元素对材料磁性行为的贡献的更详细理解。
结果显示，由于Ir掺杂，Fe和Ir的磁矩显著提高。在11原子百分比Ir浓度下，Fe的磁矩增加了1.44倍，Ir则增加了1.54倍，与1原子百分比Ir浓度相比。为了进一步验证和理解这些增强的来源，团队进行了第一性原理计算。Fe和Co属于一种称为3d过渡金属的元素类别，其最外层电子占据3d原子轨道，而Ir则属于5d过渡金属。
理论分析支持了实验发现，并揭示出Ir的添加导致了电子局域化的增加以及Fe和Co的3d电子与Ir的5d电子之间更强的自旋-轨道耦合。这种相互作用主要通过芟轨道磁矩的贡献增加而导致了磁矩的增强。
“这些发现突出了Ir在增强Fe-Co-Ir合金磁性特性中的关键作用，”山崎助理教授指出。“我们高效的高通量材料评估工作流程和理论分析方法将为设计高性能铁磁材料奠定基础。这可能导致高效电动机和下一代高密度数据存储设备的发展，从而最终减少环境影响，促进更可持续的社会。”他总结道。
此外，掺铱的Fe-Co合金可能有助于设计可以商业化的高效电子设备，必要的测试阶段。该合金在开发具有成本效益的数据存储设备方面具有潜在应用。
