얼음은 가열하면 물이 됩니다. 그런데 강력한 자석의 원료 등에 사용되고 있는 네오디뮴은 우리 주위에 있는 일반적인 물질과는 달리 '가열하면 얼어붙고 식으면 원래대로 돌아온다'는 역현상을 일으키는 성질이 있는 것으로 밝혀졌습니다.
Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium | Nature Physics
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01633-9
Thermally induced magnetic order from glassiness in elemental neodymium - Nature Physics
Thermal fluctuations associated with higher temperatures normally destroy long-range order, but in some circumstances they can stabilize new ordered phases. This ‘order by disorder’ phenomenon has now been observed in the magnetic phases of neodymium.
www.nature.com
Magnetic spins that ‘freeze’ when heated: nature in the wrong direction | Radboud University
https://www.ru.nl/en/research/research-news/magnetic-spins-that-freeze-when-heated-nature-in-the-wrong-direction
Physicists Are Startled by This Magnetic Material That 'Freezes' When Heated
https://www.sciencealert.com/this-magnetic-material-freezes-when-heated-in-a-reversal-of-our-expectations
Physicists Are Startled by This Magnetic Material That 'Freezes' When Heated
When disordered magnetic materials are cooled to just the right temperature, something interesting happens. The spins of their atoms 'freeze' and lock into place in a static pattern, exhibiting cooperative behavior not usually displayed.
www.sciencealert.com
네오디뮴에 약간의 열을 가하면 동결된다는 현상을 발견한 네덜란드에 위치한 라드바우드대학의 물리학자인 알렉산더 카제트리안 연구팀은 이 발견에 대해 “이번에 관측된 네오디뮴의 자기적인 거동은 보통과는 반대였다. 예를 들어 물을 가열하면 얼음이 되는 것과 같이 매우 직감에 반하는 현상"이라고 설명했습니다.
일반적으로 철과 같은 강자성체에서는 원자의 스핀이 같은 방향으로 정렬되어 있고 원자 그 자체가 N극과 S극을 가지는 자석이 되어 같은 방향을 향하고 있어 자력을 발휘합니다. 한편 철에 구리를 섞어 합금을 만들면 원자의 스핀의 방향이 불규칙한 '스핀 글라스'가 됩니다.
스핀 글라스란 원자의 스핀이 불규칙한 방향으로 굳어져 있는 모습이 마치 고체인데 결정이 되지 않고 엉성한 구조를 가지고 있는 유리를 닮았기 때문에 명명된 것입니다.
한편 매우 강력한 자석인 네오디뮴 자석은 철에 네오디뮴과 붕소를 더해 만들어져 있지만 네오디뮴만으로는 자석에 붙지 않습니다. 네오디뮴은 고체이므로 결정형 구조를 갖고 있지만 유리와 같은 거동을 나타내므로 네오디뮴은 '자기유도 스핀 글라스'라고 불립니다.
이 네오디뮴의 연구를 하고 있던 카제트리안 씨는 네오디뮴을 마이너스 268도에서 마이너스 265도로 약간 가열했습니다. 그러자 네오디뮴 원자의 스핀이 굳어져 자석과 같은 패턴을 형성했습니다. 반대로 네오디뮴이 식으면 무작위 패턴으로 돌아와 버렸습니다.
이 현상을 그림으로 표현하면 가열 전의 네오디뮴 원자(왼쪽)의 스핀은 소용돌이를 감는 패턴을 형성하지만 가열한 네오디뮴(오른쪽)은 동결되어 일종의 자석과 같은 패턴을 형성했습니다.
네오디뮴이 일반적인 물질과는 반대의 거동을 하는 이유는 불분명하지만 연구팀은 'Frustration'이라는 현상이 관련되어 있을 것으로 추정하고 있습니다. Frustration이란 자성체가 질서상태가 될 수 없고 스핀 글라스와 같은 무질서한 상태가 되는 것을 말한다. 연구팀에 따르면 네오디뮴의 온도가 올라가면 구조를 무질서하게 하려는 Frustration의 힘이 약해지므로 스핀이 정렬된 상태에서 한정할 수 있게 된다고 생각됩니다.
연구팀은 에너지가 가해지면 무질서로부터 질서가 생겨난다는 신기한 현상의 메커니즘을 밝혀내어 새로운 타입의 컴퓨터나 정보 스토리지 기술이 실현될 것으로 기대하고 있습니다.
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