우리 학교 물리학과 김갑진 교수, 이상민 교수가 이끄는 연구팀이 지난 9월 21일 희토류-전이금속 페리자성체 필름에서 자화를 결정하는 에너지 레벨에 따른 새로운 특성과 스핀-글라스 현상을 관측했다고 밝혔다. 더불어, 희토류-전이금속 페리자성체 필름 구조에서 면내 방향으로의 외부 자기장을 인가하여 분석하는 방법에 따라 측정 에너지 레벨이 다름을 확인했다. 이를 바탕으로 기존 희토류-전이금속 페리자성체 연구 결과들이 연구에서 사용한 분석법에 따라 다른 결과값을 보인 이유를 성공적으로 규명했다. 

페리자성체란 무엇인가

 페리자성체(Ferrimagnetism)는 강자성체(Ferromagnetism)와 비슷하게 자기장에 의해 자화하는 물질이다. 그러나, 철•코발트•니켈 등의 강자성체는 자기장에 의해 물질 내의 자기 모멘트가 동일한 방향으로 서로 평행하게 배열되어 자성을 가지는 것과 달리, 페리자성체는 결정 내부에서 인접한 자기 모멘트들이 서로 반대 방향으로 배열되지만 인접한 자기 모멘트의 크기가 동일하지 않아 상쇄되지 않은 자기 모멘트로 자화되는 것이 차이점이다.

스핀-글라스 특성

 스핀-글라스 특성은 전통적인 물리학적 복잡계의 하나로, 비자성체 사이에 자성을 지니는 불순물을 혼합한 계에서 주로 나타난다. 스핀-글라스는 강자성체에서의 자기모멘트 배열을 지니려는 자성 물질과 반자성체에서의 자기모멘트 배열을 지니려는 비자성체의 차이로 인해 모든 스핀 사이에서 상호작용 에너지가 최소화되는 상황을 만족할 수 없는, “쩔쩔맴”이 발생한다.

 이렇게 쩔쩔맴이 발생하면 모든 상호작용 에너지가 최소화될 수 없다. 따라서 무수히 많은 비슷한 상태들이 가능해지게 되어 계의 바닥 상태가 굉장히 많이 겹칠 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 낮은 온도에서는 스핀들이 마구잡이 방향으로 정렬된 상태에서 얼어버리는 새로운 정돈 상태를 보이는 것이 특징이다.

자화 결정 에너지 단계와 페리자성체의 특성

 연구진은 페리자성체를 분석하는 Tr-MOKE(Time-resolved MOKE) 및 테라헤르츠 방출분광법(THz emission)•홀 측정(Hall measurement)•VSM(Vibrating Sample Magnetometer) 등의 방식들 중, 홀 측정을 통해 얻어낸 TbCo 페리자성체는 스핀-글라스 특성을 보이지 않는 것에 비해 VSM 방식으로 측정한 TbCo 페리자성체는 스핀-글라스 특성을 보인다는 것을 발견했다. 이렇게, 같은 물질임에도 분석하는 방식에 따라 결과가 바뀐다는 점에서부터 분석 방식에 따라 측정되는 TbCo의 에너지 레벨이 다를 것이라고 가설을 세웠다.

 이를 증명하기 위해 빛을 이용하기에 연속적인 에너지 레벨 범위에서 분석 및 측정이 가능한 테라헤르츠 방출분광법•Tr-MOKE*를 사용했다. 그 결과, Co의 3d 껍질 자화가 지배적인 영역에서 잘 나타나지 않던 스핀-글라스 특성이 Tb의 4f 껍질에 의한 자화가 Co의 3d 껍질에 의한 자화에 대해 지배적인 영역에 도달할수록 강하게 나타남을 측정하는 데 성공했다. 즉, 홀 분석을 통해 분석 가능한 영역이 Co의 3d 껍질 자화가 지배적인 영역을 주로 포함하고, VSM을 이용해 분석 가능한 영역이 Tb의 4f 껍질 자화가 지배적인 영역을 아우름을 확인했다. 또한, 같은 페리자성체라도 분석 방법에 따라 다른 에너지 레벨을 측정하므로 다른 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.

 더불어, 연구진은 이번 연구 결과가 기존의 희토류-전이금속 페리자성체 연구들에서 같은 물질을 분석했음에도 분석 방법에 따라 다른 결과값이 나오는 현상에 대한 근거가 될 것이라고 설명하였다. 추후 진행될 희토류-전이금속 페리자성체 연구들에서 분석에 사용하는 방법에 따라 페리자성체에서 측정하는 에너지 레벨이 다르다는 점을 바탕으로 보고자 하는 에너지 레벨에 맞게 적절한 측정 방식을 취할 수 있게 될 것이라고 덧붙였다.

MOKE*
Maganeto-Optical Kerr Effect의 약어로, 빛이 자화된 물체의 표면에서 반사될 때 입사광과 반사광 사이에서 생기는 변화를 측정하여 물질의 자성을 분석하는 방식이다.