在早稻田大學和青山學院大學的聯合研究中，世界上首次闡明了冷卻時膨脹的物質“反向鈣鈦礦型氮化錳”的“負熱膨脹”機制。
通常，物質在冷卻時收縮，在加溫時膨脹，但已知反向鈣鈦礦型氮化錳在冷卻時表現出大的體積膨脹。然而，40 多年來，它為何在冷卻時膨脹的物理機制一直是個謎。
另一方面，在反向鈣鈦礦型氮化錳中，還已知錳離子上的電子自旋與溫度下降一致。因此，在本研究中，我們重點關注“電子自旋排列現象”與“負熱膨脹現象”之間的關係。
研究小組首先發現電子自旋之間存在兩種相互作用，一種試圖使自旋反平行排列，另一種試圖使它們平行排列。然後發現，由於它們之間的競爭，當體積膨脹和離子彼此分離時，自旋之間的相互作用比在正常物質中體積收縮時更強。因此，當溫度降低，發生自旋取向時，晶體體積自發膨脹以加強自旋之間的相互作用，出現“負熱膨脹現象”。
這表明具有競爭性自旋-自旋相互作用的物質可能會導致負熱膨脹現象，並且還提出了預期作為未知負熱膨脹物質的晶體結構。此外，課題組構建了世界上第一個再現倒置鈣鈦礦型氮化錳自旋取向的數學模型，並成功從理論上徹底闡明了負熱膨脹現象的機理。
負熱膨脹物質有望通過與普通物質結合，實現體積和長度即使在溫度變化時也不會變化的前所未有的材料。
