과학자들은 적층형 자성 물질에서 특이한 초고속 움직임을 발견했습니다.

Aug 16, 2023

2023년 8월 2일

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작성자: Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory

일반적인 금속 종이 클립은 자석에 달라붙습니다. 과학자들은 이러한 철 함유 물질을 강자성체로 분류합니다. 약 100년 전, 물리학자 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 반더 드 하스(Wander de Haas)는 강자성체의 놀라운 효과를 보고했습니다. 철제 실린더를 와이어에 매달고 자기장에 노출시키면 자기장의 방향을 바꾸기만 하면 회전하기 시작합니다.

"아인슈타인과 드 하스의 실험은 마치 마술쇼와 같습니다."라고 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 재료 과학 및 엑스레이 과학 부문 물리학자인 Haidan Wen이 말했습니다. "원통을 건드리지 않고도 회전시킬 수 있습니다."

네이처(Nature)지에서 아르곤(Argonne)과 기타 미국 국립 연구소 및 대학의 연구진은 이제 "반" 강자성체에서 유사하면서도 다른 효과를 보고했습니다. 이는 초정밀 및 초고속 모션 제어가 필요한 장치에 중요한 응용 분야를 가질 수 있습니다. 한 가지 예는 최소 침습적 진단 및 수술을 위한 나노 로봇에 사용되는 것과 같은 생물 의학 응용 분야를 위한 고속 나노 모터입니다.

강자성체와 반강자성체의 차이점은 전자 스핀이라는 특성과 관련이 있습니다. 이 회전에는 방향이 있습니다. 과학자들은 위나 아래 또는 그 사이의 모든 방향을 가리킬 수 있는 화살표로 방향을 나타냅니다. 위에서 언급한 자화된 강자성체에서 철 원자의 모든 전자와 관련된 화살표는 같은 방향, 즉 위쪽을 가리킬 수 있습니다. 자기장의 반전은 전자 스핀의 방향을 반전시킵니다. 따라서 모든 화살표가 아래를 향하고 있습니다. 이 반전은 실린더의 회전으로 이어집니다.

버클리 캘리포니아 대학교 밀러 연구원인 Alfred Zong은 "이 실험에서는 거시적 물체인 원통에서 기계적 반응을 이끌어내기 위해 미시적 특성인 전자 스핀을 활용했습니다."라고 말했습니다.

반강자성체에서는 전자 스핀이 모두 위쪽을 향하는 대신 인접한 전자 사이에서 위쪽에서 아래쪽으로 번갈아 나타납니다. 이러한 반대 스핀은 서로 상쇄되므로 반강자성체는 강자성체처럼 자기장의 변화에 ​​반응하지 않습니다.

"우리가 스스로 물었던 질문은 전자 스핀이 아인슈타인-드 하스(Einstein-de Hass) 실험에서 원통 회전과 다르지만 정신적으로는 유사한 반강자성체의 반응을 이끌어 낼 수 있는가 하는 것입니다." 원이 말했다.

이 질문에 답하기 위해 팀은 반강자성체인 삼황화철인(FePS3) 샘플을 준비했습니다. 샘플은 FePS3의 여러 층으로 구성되었으며 각 층의 두께는 원자 몇 개에 불과했습니다.

"전통적인 자석과 달리 FePS3는 층간 상호 작용이 극도로 약한 층상 구조로 형성되기 때문에 특별하다"고 워싱턴 대학의 물리학 및 재료 과학 교수인 Xiaodong Xu가 말했습니다.

Wen은 "우리는 이 적층 재료에 초고속 레이저 펄스를 발사하고 광학, X선 및 전자 펄스를 사용하여 재료 특성의 결과 변화를 측정하는 일련의 확증적 실험을 설계했습니다."라고 덧붙였습니다.

연구팀은 펄스가 전자 스핀의 정렬된 방향을 뒤섞어 물질의 자기 특성을 변화시키는 것을 발견했습니다. 전자 스핀에 대한 화살표는 더 이상 질서 있게 위 아래로 번갈아 표시되지 않고 무질서해집니다.