금은 상자성체?

고휘도 광과학연구센터(JASRI)는 호쿠리쿠 첨단과학기술대학원 대학과 가가와대학, 아키타대학, 스페인 바스크 주립대학 등과 공동으로 금에 지금까지 검출되지 않았던 새로운 자기적 성질이 있음을 발견했다고 발표했다. 연구성과는 과학지 'Physical Review Letters' 온라인판에 게재되었다.

금은 예로부터 연구되어 왔으며, 그 물리적·화학적 성질은 잘 이해되어 왔다. 녹슬지 않고 산 등에도 침투되기 어려우며 부드럽고 가공하기 쉬우며 전기가 잘 통하는 등의 성질에 공업적으로도 다채로운 응용이 전개되고 있다.

특히 최근에는 하이테크 재료로서의 이용이 주목받고 있으며, 철이나 코발트 등의 자성체와 조합함으로써 자기기록 재료로서의 응용도 검토되고 있다. 게다가 금을 나노 사이즈의 입자로 하면 강한 자성을 가지는 것이 최근의 연구에서 분명해져 학술적으로도, 응용의 면에서도 주목받고 있다.

그러나 금은 대표적인 반자성체라고 알려져 있으며, 자석이 되는 강한 자성은 가지지 않는다고 생각되어 왔다. 왜 자석의 성질을 가지지 않는 금이 나노 사이즈가 되면 자석이 되는지는 지금까지 미해결이었지만, 이번 연구에서 밝혀졌다.

이번 연구에서는 거시적인 크기를 금조차도 상자성이라는 명확한 자기적 성질을 갖는 것으로 밝혀졌다. 대형 방사광 시설 'SPring-8'에서는 방사광 X선을 물질에 조사하여 그 X선 흡수량(흡수 스펙트럼)을 측정함으로써 시료의 자성을 평가하는 것이 가능하다.

그 측정은 자성재료 빔라인 'BL39XU'의 원편광(전계나 자계가 나선형상으로 회전하면서 전해지는 전자파)을 이용하고 있으며 'X선 자기원 이색성 분광측정(XMCD)'이라고 불린다. XMCD 측정법의 첫 번째 특징은 고감도로 미약한 자기신호를 측정할 수 있는 것으로, 검출감도는 높아서 철의 자성의  10만 분의 1의 크기의 신호까지 검출을 할 수 있다.

출처:JASRI / 방사광에 의한 XMCD 측정(그래프 중의 붉은 원이 실험 데이터)에 의해 종래 알려진 반자성상태의 신호(검은 점선)보다 작은 상자성상태의 신호(청색 선)를 처음으로 검출하는 데 성공했다. 이 결과로부터 금이 전자의 스핀과 궤도운동에 의한 상자성상태도 가지는 것이 판명되었다. 궤도운동의 비율이 큰 것은 나노입자에도 공통의 성질이며, 금 나노입자가 강한 자성을 가지는 원인인 것도 규명되었다.

또 이 수법의 또 다른 특징은 강자성이나 상자성 등 전자스핀이 관여하는 자기적 상태에만 감도가 있고 반자성의 상태는 검출되지 않는다. 방사광 이외의 종래의 측정법에서는 모든 종류의 자기신호를 구별하지 않고 측정해 버리기 때문에 금의 자기적 응답 중에서 가장 큰 반자성 신호밖에 검출할 수 없었다. 그러나 방사광을 사용한 고감도 XMCD 측정에 의해 반자성 신호에 방해받지 않고 보다 미약한 상자성 신호도 확인할 수 있게 된 것이다.

덧붙여 전자스핀이란 전자 1개 1개가 가지고 있는 미크로 자석으로서의 성질로, 간단하게 말하면 전자의 운동이다. 자성을 갖지 않는 물질에서는 전자스핀의 방향이 정렬되어 있지 않기 때문에 자석의 성질은 평균화되어 제로가 된다. 자성체에서는 일정한 수의 전자스핀이 같은 방향으로 정렬되어 있기 때문에 전자가 가지는 자석의 성질이 매크로 크기에까지 나타난다는 것이다.

또한 전자가 원자핵을 주회할 때의 궤도운동도 미크로 자석으로서 기여한다. 스핀에 대한 궤도운동 비율이 크면 그 물질의 자화가 특정 방향으로 향하기 쉬워지는 구조다. 이 특성을 자기 이방성이라고 하며, 자기기록 재료에서 중요한 특성이다.

실험에서 얻은 스펙트럼의 분석에서 금의 자기상태에 대한 상세한 정보를 얻었다. 구체적으로 살펴보면 금은 본질적으로 외부로부터 가해진 자기장과 동일한 방향으로 자화되고, 그 자화의 크기는 자기장에 대해 완전히 비례하여 변화하는 것으로 밝혀졌다.

또한 섭씨 20℃에서 -271℃까지 시료의 온도를 변화시켜도 자화의 크기는 변화하지 않는다는 결과도 얻어졌다. 이러한 정보로부터 금은 '파울리 상자성'이라는 금속 특유의 자성을 나타내는 것이 판명되었다는 것이다.

게다가 자성의 기초가 되고 있는 것은 금의 5d궤도의 전도전자이고 전자의 스핀과 전자의 궤도운동 양쪽이 자성에 기여하고 있는 것도 밝혀졌다. 궤도운동 성분의 비율은 스핀 성분에 비해 30% 정도의 크기이며, 그 비율은 철 등의 자성체에 비해 10배나 크고, 금이라는 물질에 특징적인 성질임을 알 수 있었다.

나노입자의 금에 대해서도 같은 분석을 실시한 결과, 역시 궤도운동에 의한 자성의 성분이 30%으로 단일 금의 결과와 잘 일치했다. 이 일치로부터 전자의 궤도운동은 전자스핀을 특정 방향으로 향하게 하는 작용을 갖기 때문에 큰 궤도 성분이 나노입자의 강한 자성의 기원 중 하나인 것이 확인되었다는 것이다. 나노입자의 금이 강한 자성을 가지는 이유는 금이라는 물질 그 자체에 존재하는 숨겨진 자기적 성질에 있었던 것이다.

금은 반자성체로 알려져 왔지만 이번 발견은 그 상식을 뒤집는 모양새다. 게다가 금 나노입자의 자기적 성질에는 아직 규명되지 않은 부분이 있어, 이번 성과에 의해 그 이해가 진행될 것이라고 연구그룹에서는 기대를 나타내고 있다.

지금까지의 나노입자의 연구에서는 입자의 크기, 결정구조나 입자의 형상, 입자의 표면원자의 성질, 혹은 입자 주위에 배위한 유기분자와의 작용에 주목하여 그 자성이 논의되어 왔다. 이번에 발견된 전자의 궤도운동이라는 금 자체가 가지는 성질을 고려하여 나노입자의 자성 규명의 큰 단서를 얻을 수 있다고 한다.

또한 금뿐만 아니라 백금 등 귀금속의 나노입자의 자기적 메커니즘에 대한 이해가 촉진되고 나노입자를 기록단위로 한 초고밀도 자기기록에의 응용도 기대된다고 연구그룹은 기대했다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 反磁性体とされてきた金が実は磁性体 - JASRIなどが発見
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20120124-a092/