물리 특이한 자기 구조 물질 발견

2015.09.27 20:11

특이한 자기 구조 물질 발견 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060433&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-29

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많은 등산로에서 악마의 계단이라고 불리는 험하고 가파른 계단이 있다. 이것은 매우 가파른 형태의 계단으로 올라가기가 매우 어렵다. 이런 악마의 계단은 또한 수학적 함수에서도 나타난다. 이런 계단 거동은 결정, 상전이, 그리고 통계 물리학같은 분야에서도 나타난다. 이제 일본 토쿄 대학의 Hiroki Wadati가 이끄는 연구진은 특정한 자기 물질에서 이런 악마의 계단 형태를 관측하였다. 이들은 산화 코발트인 SrCo6O11에서 이런 현상을 발견하였다. 이런 물질의 미시적인 거동을 분석함으로써 이들 연구진은 그것이 거의 동일한 자기 에너지를 가진 다수의 자기 구조를 포함하고 있다는 것을 발견하였다. 이렇게 많은 거의 축퇴된 자기 구조의 공존은 많은 계단 같은 구조를 발생시키는 것이다.

비록 악마의 계단 거동은 마이크로스코픽 효과로부터 발생하지만, 거동은 또한 물질의 거시 특성에도 반영된다. 가장 흥미로운 특성 중 하나는 물질의 거대 자기 저항이다. 이것은 인가된 자기장이 물질의 전기 저항을 변화시키는 특성이다. 이런 특성은 새로운 기능성을 가진 인위적인 물질을 디자인하는데 유용하게 사용될 수 있다. 산화 코발트의 미세 자기 특성을 이해하기 위해서, 연구진은 소프트 X-선 산란이라고 불리는 기술을 이용하였다. 이것은 X-선으로 물질에 충돌하는 것을 포함하며 산란된 X-선의 에너지와 운동량을 측정한다. 비교적 최근에 개발된 소프트 X-선 산란은 고체 물질에서 정렬된 구조를 조사하는데 강력한 도구라는 것이 증명되고 있다. 처음으로, 이들 연구진은 소프트 X-선 산란을 수 테슬라의 자기장 하에서 이용하였다. 이 기술은 연구자들로 하여금 초기 실험에서 검출할 수 없었던 마이크로스케일의 자기 구조를 발견할 수 있게 해주었다.

과학자들은 물질의 특이하게 큰 거의 축퇴된 자기상과 그 결과적으로 발생하는 악마의 계단 거동이 자기상들 사이의 경쟁에 기인한 것으로 보고 있다. 이 경쟁은 자기적 좌절(magnetic frustration)의 결과를 발생시킨다. 그 이유는 어떤 단일 상도 다른 것에 우세할 정도로 충분히 크지 않기 때문이다. 이 결과에 따르면, 강한 자기적 좌절은 물질이 거대 자기 저항을 갖게 하는 핵심적인 요소이다. 또한 물질이 매우 약한 화학적 주입에 고도로 민감하게 되도록 만드는 핵심적인 요소이다.

이런 민감도를 시연하기 위해서, 연구진은 단지 3%의 스트론튬 원자를 바륨 원자로 대체하면 물질의 축되 자기상들이 거의 파괴된다는 것을 보여주었다. 이것은 물질의 자기적 특성을 전반적으로 크게 변화시키는 것이다. 물질의 특성이 이런 방식으로 쉽게 조율될 수 있기 때문에, 과학자들은 이런 연구가 다양한 기술적 응용을 위해서 물질의 자기적 그리고 전기적 특성을 제어하고 제작하는 매우 유용한 방법을 제공하여 줄 수 있기를 희망하고 있다.

미래의 공명 소프트 X-선 회절 연구에서, 다른 물질의 유사한 악마 계단 거동도 발견될 수 있을 것으로 예상할 수 있다고 연구진은 말하였다. 악마의 계단 거동은 스핀트로닉스 물질의 새로운 개발을 가능하게 만들 수 있을 것이라고 연구진은 말하였다. 이들의 연구 결과는 "Observation of a Devil`s Staircase in the Novel Spin-Valve System SrCo6O11" 라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

첨부그림: 악마 계단 거동은 산화 코발트 물질의 자기 구조에서 나타난다. 세 개의 자기적 상이 보여지고 있다. 여기서 화살은 각 상을 정의하는 다른 스핀 구조를 나타낸다. 이런 상은 거의 자기적으로 축퇴된 에너지를 가지고 있으며, 따라서 그것들은 안정된 상으로 모두 공존하지만, 주입과 같은 외부 변화에 의해 쉽게 변경될 수 있다.

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[출처] http://phys.org/print354336220.html

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