반강자성체를 스위치하는 방법
Synopsis: How to Switch an Antiferromagnet

반강자성 도메인의 방향은 두 가지 주요 메커니즘으로 뒤집을 수 있다. 연구자들은 어떤 상황에서 한 메커니즘이 다른 메커니즘을 지배하는지 규명했다.

반강자성체를 구성하는 두 부분 격자의 자화 방향은 서로 반대 방향을 가리켜 상쇄된다. 그러나 한 부분 격자가 반전 대칭성을 깨뜨리면, 양쪽을 뒤집음으로써 서로 다른 전도 특성을 지닌 구조를 얻을 수 있다. 이러한 차이를 통해 반강자성체를 정보 저장 및 처리 장치로 활용할 가능성이 있다. 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학(Johannes Gutenberg University Mainz in Germany)의 마틴 요르단(Martin Jourdan)과 공동 연구진은 두 다른 자화 반전 메커니즘이 서로 다른 시간 스케일에서 작동한다는 사실을 발견했다.1) 이 연구 결과는 기존 연구에서 반강자성체 전환 메커니즘이 잘못 규명됐을 가능성을 시사한다.

연구진은 일반적으로 스핀 분극 전류 펄스를 가해 반강자성체의 상태를 전환하려고 한다. 이러한 전류는 스핀-궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 현상으로 하위 격자 자화들이 새로운 배열로 뒤틀리게 한다. 그러나 최근 연구에서 펄스가 충분히 길 경우, 저항 발열로 인한 기계적 변형이 발생하여 SOT 유무와 관계없이 하위 격자들을 새로운 배열로 급격히 전환할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 요르단과 그의 공동 연구진은 반강자성체 Mn₂Au 박막에서 이러한 메커니즘을 연구했다. 이 물질은 해당 연구에 세 가지 장점이 있다: 전도체로서 전류인가 실험이 쉬우며, 망간 부분격자가 반전 대칭성을 깨뜨리고, 금 부분격자에 강한 스핀-궤도 결합을 지닌 전자를 포함하여 SOT에 특히 민감하다.

연구팀은 서로 다른 방향으로 전류 펄스를 인가한 뒤 자기 도메인 패턴을 측정하여 두 가지 전환 메커니즘을 구분했다. SOT에 의한 전환은 전류 방향에 민감하지만, 발열로 인한 전환은 그렇지 않다. 실험 결과, 2.5나노초(ns)의 펄스에서는 SOT 특유의 패턴이 나타나지만, 100 ns 이상의 펄스에서는 열-자기탄성(thermomagnetoelastic) 패턴을 생성한다는 사실을 발견했다. 요르단은 이전 실험들이 모두 1마이크로초(μs) 이상의 긴 전류 펄스를 사용했으므로, 아마도 대부분 후자의 메커니즘이 작동하는 영역에 해당했을 것이라고 설명했다.

다이아몬드 결함이 유도하는 동역학
Synopsis: Diamond Defects Drive Dynamics

수십억 개의 불순물을 포함하는 미세한 다이아몬드는 외부 자극을 통해 캔틸레버(cantilever)를 구부릴 만큼의 힘을 발생하도록 유도될 수 있다.

지난 20년간 다이아몬드에 주입할 수 있는 질소-공석(Nitrogen Vacancy, NV) 센터라는 결함에 관한 주요 연구가 진행됐다. 이 결함은 전자 스핀이 자기장, 전기장, 열장에 매우 민감하여서 탁월한 양자 센서로 활용된다. 또한 실온에서 광학적으로 편광될 수 있고, 긴 수명 및 간섭 시간을 지녀 양자정보 처리 분야에 응용 가능성이 있다. 프랑스 고등사범학교(Ecole Normale Superieure)의 가브리엘 에떼(Gabriel Hetet)와 그의 연구팀은 NV 센터가 캔틸레버를 구부릴 만큼 충분히 강력한 스핀에 의존하는 힘을 발생시킬 수 있음을 보여주었다.2) 이러한 힘은 양자 물리학과 고전 물리학 사이의 상호작용에 대한 통찰을 제공할 수 있다.

다이아몬드의 결정 격자에 서로 인접한 두 개의 탄소 원자가 하나의 질소 원자와 격자 결함으로 치환될 때 NV 센터가 형성된다. 에떼와 그의 동료들은 마이크로미터 크기의 다이아몬드를 취해 수십억 개의 NV 센터를 도핑한 후 마이크로미터 크기의 실리콘 캔틸레버 끝에 부착했다. 이후 다이아몬드에 균일한 자기장과 녹색 레이저를 가해 NV 센터의 전자 스핀을 분극시켰다. 분극된 스핀과 자기장 사이의 상호작용은 캔틸레버 끝을 휘게 하는 힘을 발생시킨다. 이 힘의 크기와 방향은 자기장에 대한 스핀 방향에 따라 달라졌다.

연구팀은 이러한 힘이 스핀 시스템과 기계적 시스템을 결합하는 하이브리드 양자-고전 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있으며, 이를 통해 양자 센싱 분야에서 NV 센터의 활용 범위를 확장할 수 있다고 설명한다.

예상치 못한 공명이 NMR의 성능을 높일 수 있다
Viewpoint: Unexpected Resonances Could Boost NMR’s Potency

시료의 핵스핀이 라디오-주파수(radiofrequency) 장의 주파수가 분광학적 전이에 정확히 일치하지 않더라도 공명할 수 있다는 결과가 새로운 형태의 NMR 분광법을 가능하게 할 수 있다.

물리적 시스템은 종종 고유 진동수를 지닌다. 이러한 주파수로 자극을 받으면 공진을 일으킨다. 1831년 4월 12일 브로턴 현수교(Broughton Suspension Bridge) 사건은 공명이 문제가 될 수 있다는 것을 보여주는 대표적인 사건이다. 74명의 소총병 부대가 다리를 건너며 발걸음을 맞춘 것이 우연히 다리의 공명 주파수와 일치했다. 그들이 다리를 다 건너기 전에 다리가 붕괴되었다. 훨씬 작은 규모의 핵자기 공명(Nuclea Magnetic Resonancem, NMR) 분광학에서는 공명 여기의 결과가 파괴적이지는 않지만, 매우 유용하다. 일반적으로 NMR은 정준 공명(secular resonance)에 의존하는데, 이는 측정에 사용되는 라디오-주파수 광자의 에너지가 정자기장 내에서 핵의 자기 모멘트를 뒤집는 데 필요한 에너지와 일치할 때 발생한다. 화합물의 구조 결정, 단백질 동역학의 실험적 관찰, 그리고 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 등은 모두 이러한 주파수 일치를 기반으로 한다. 독일 칼스루에 공과대학교(Karlsruhe Institute of Technology)와 라이프치히 대학교(University of Leipzig)의 미하엘 유르쿠타트(Michael Jurkutat) 연구팀은 라머(Lamor) 주파수와 멀리 떨어진 영역에서도 공명이 일어날 수 있는 ‘비정준(nonsecular) 공명’을 기반으로 한 새로운 형태의 NMR을 실현했다.3) 자기 공명의 물리학은 여러 차례 이미 성숙 단계에 이르렀다고 선언되어 왔다. 이번 연구는 이 오래된 분야에서조차 기본적인 현상이 여전히 발견될 수 있음을 보여준다. 이 결과의 예상 적용 분야로는 다른 원소의 동위원소를 조사하여 한 원소의 NMR 감도를 향상시키는 새로운 방안과 고체 물질 구조를 특성화하는 새로운 방법이 포함된다.

정자기장 속 핵에 대해 정준 공명 주파수는 자기장의 세기와 핵의 자기 모멘트로부터 계산된다.4) 라디오-주파수 조사(RF irradiation)가 없는 경우, 핵스핀으로부터의 자화는 정자기장과 평행하며 정지 상태에 있다. 공명 조건에서 조사되면 자화 벡터는 평형 방향에서 벗어나 나선형 운동을 시작한다. 이 나선 운동은 자화 벡터가 전체 자기장의 방향을 중심으로 세차(precession)하기 때문에 나타난다. 전체 자기장은 정자기장과 라디오-주파수장의 자기 성분의 합으로 이루어진다. 핵스핀은 라머 주파수에서 세차 운동을 한다. 만약 라디오-주파수가 라머 주파수와 일치한다면, 스핀 운동과 장의 방향은 동조 상태를 유지한다. 따라서 스핀의 공명, 즉 정준 여기(secular excitation)가 발생된다.

이 흔히 나타나는 형태의 스핀 공명은 스핀이 자기장 및 다른 스핀들과 상호작용할 때의 정준 성분에서 기인한다. 정준 성분은 스핀의 에너지 준위를 분리하는데 기여한다. 강한 자기장 속에서 핵은 자신의 스핀을 자기장과 평행하게 정렬(낮은 에너지 \(\small\alpha\) 상태)하거나 반평행하게 정렬(높은 에너지 \(\small \beta\) 상태)한다. 스핀–1/2 입자의 경우, 정준 상호작용은 \(\small\alpha\)와 \(\small\beta\) 상태의 에너지 준위를 분리한다. 라머 주파수는 이 에너지 분리를 플라크 상수(Planck’s constant, h)로 나눈 값이다. 결합된 두 개의 플루오린-19(¹⁹F)의 경우, 정자기장에 평행한 자기 쌍극자-쌍극자 결합(dipole-dipole coupling)의 정준 성분은 정준 제만(Zeeman) 상호작용과 결합한다. 그러나 이 결합에는 비정준 성분도 존재한다. 비정준 성분은 스핀의 에너지 준위에 뚜렷한 영향을 주지 않으며, 일반적으로 관찰되는 공명의 세기에도 영향을 주지 않는다. 이론적으로는 예측되었지만, 지금까지 비정준 성분은 실험에서 보이지 않았다. 조사장이 시간에 독립적이 되는 좌표계에서는 비정준 결합이 평균화된다.

이 새로운 실험에서 유르쿠타트와 공동 연구자들은 숨겨져 있던 비정준 성분들이 실제로는 핵 자화를 공명적으로 변화시킬 수 있음을 입증했다. 이 결과에 이르는 중요한 첫 걸음은 2012년에 이론가들이 비정준 공명이 드러날 수 있는 조건을 규명하면서 마련되었다.5) 이어 2016년에는 형석(플루오라이트, CaF₂)이 비정준 공명을 관찰하기에 매우 적합하다는 사실이 밝혀졌다.6) 이는 이 광물 속 ¹⁹F 핵이 큰 자기 모멘트를 가지고 있고, 인접한 핵들이 가까이 위치해 강한 자기 쌍극자-쌍극자 결합을 형성하기 때문이다. 이론가들은 라디오-주파수를 라머 주파수에서의 정준 공명 조건에서 라머 주파수의 약 두 배에 해당하는 비정준 공명 조건으로 전환하는 실험을 제안했다.

유르쿠타트와 공동 연구진들은 제안된 실험을 다른 방식으로 수행하여 성공했다. 정준 조건에서 비정준 조건으로 주파수를 전환하는 대신, 자기장을 도약(jump)시키는 방법을 사용하고, 동일한 주파수에서 모든 조사 과정을 수행했다. 먼저, 정준 공명 조건보다 높은 자기장으로 도약시킨 후, 충분한 열적 분극이 ¹⁹F 스핀에 축적되어 효과를 관찰할 수 있었다. 이어 두 번째 도약을 통해 정준 공명 조건의 절반 정도에 해당하는 자기장을 걸어 비정준 공명을 형성했다. 이 자기장에서 시료는 일정 시간 동안 조사되었다. 세 번째 도약으로 정준 공명 조건으로 되돌린 후, ¹⁹F 핵스핀은 기존 NMR 방식으로 손쉽게 관측할 수 있었다. 연구팀은 두 번째 자기장의 크기를 변화시키면서, 강한 공명에 따른 NMR 신호의 감소를 관찰하여 마침내 비정준 공명을 찾아낼 수 있었다.

비정준 공명은 진동 자기장의 세기가 정자기장의 1% 미만일 때 너무 약하기에 이전에는 관측되지 않았다. 유르쿠타트와 그의 공동 연구진은 독창적인 자기장 도약(field-jump) 실험으로 이 임계점을 넘을 수 있었다.

흥미로운 새로운 연구 방향은 그들의 아이디어를 전자 상자성 공명(Electron Paramagnetic Resonance, EPR)으로 확장하는 것이다. 이 기술은 자유 라디칼과 같이 짝을 이루지 않는 전자를 포함한 화합물을 연구하는 데 특히 유용하다. EPR에서는 유사한 효과를 관찰하기가 더 쉬울 수 있는데, 이는 전자 스핀이 훨씬 큰 자기 모멘트를 가지며 전자기장과 더 강하게 상호작용하기 때문이다. NMR 분광학과 달리, EPR 분광학에서는 4‒50K 온도 범위에서의 측정이 흔하다. 이는 훨씬 높은 열 분극을 초래하여 감도를 높인다. 많은 경우, EPR 분광법은 특정 실험 수행에서 NMR 분광법에 뒤처졌는데, 이는 EPR에 필요한 더 높은 주파수가 기기 구현에 더 큰 도전 과제였기 때문이다. NMR 선행 연구를 뒤따른 일부 EPR 실험들은 이후 EPR 분야에서 광범위한 응용을 찾았다. 비정준 공명도 바로 그런 다음 사례가 될 가능성이 크다.