자성의 근원은 전자
금(Au)에 자석을 접근해도 당연히 금은 자석에 끌리지 않습니다. 그러나 최첨단 기술을 사용하여 원자의 세계를 들여다보면 우리가 모르는 금의 성질이 있습니다.
원래 물질이 자성을 가지는 원인은 물질 중의 전자에 있습니다. 원자핵을 중심으로 그 주위를 원자번호와 같은 개수의 전자가 돌고 있습니다. 자세하게 보면 전자는 우회전이나 좌회전으로 스핀이라는 자전을 있습니다. 양자역학적으로는 우회전의 전자를 상향 스핀, 좌회전의 전자를 하향 스핀이라고 부릅니다. 상향 스핀과 하향 스핀은 서로를 상쇄하지만 상대방이 없으면 물질은 자성을 갖습니다. 예를 들어 철 속의 Fe 원자는 26개의 전자 중 평균적으로 상향 스핀이 약 14개, 하향 스핀이 약 12개로 상향 스핀이 2개 많이 존재합니다. 계산상으로 1입방센티미터 주사위 정도의 철덩어리 안에 2×10^23개의 상대방이 없는 상향 스핀이 있게 됩니다. 이 상향 스핀으로 인해 철은 자성을 가지게 됩니다. 이와 같이 스핀의 수에 차이가 있는 물질인 자성체는 드뭅니다. 우리 몸 안에 셀 수 없는 전자가 존재하지만 인체는 자성을 가지고 있지 않습니다. 상향 스핀과 하향 스핀이 딱 같은 수이기 때문입니다.
금은 자석이 될까?
금은 상향 스핀과 하향 스핀의 수가 같기 때문에 자성은 없다고 생각되어 왔습니다. 물리교과서에는 '금은 반자성을 가진다'고 적혀 있습니다. 반자성이라는 것은 외부로부터 자기장이 걸리면 자기장의 방향과 반대방향으로 자화하는 현상입니다. 반자성체에서는 자석의 N극을 접근하면 N극이 되고 S극을 접근하면 S극이 되어 자석에 반발합니다. 이것은 자석끼리의 반발에 비하면 훨씬 약한 힘이지만 금 외에도 구리나 수정, 유기물의 대부분이 반자성체입니다.
그런데 2012년 1월 고휘도 광과학연구센터이용연구촉진부문의 스즈키 기히로시 씨는 자신이 개발한 장치로 금원자 중의 전자의 상태를 조사해 보았더니 금에도 자석이 되는 성질(상자성)이 있다는 사실을 발견했습니다. 금에 매우 강한 자기장을 걸었을 때 상향 스핀의 수가 약간 많아지는 현상이 측정된 것입니다. 금이 가지는 상자성의 성질은 매우 약하기 때문에 반자성으로 가려져 있었다고 스즈키 씨는 설명했습니다.
방사광으로 자성을 본다
물질에 포함된 원자의 전자상태를 관찰하기 위해서는 방사광을 이용한 측정이 활약합니다. 각 물질은 원하는 파장의 X선을 잘 흡수합니다. 방사광으로부터는 다양한 파장의 X선을 얻을 수 있으므로 금에 잘 흡수되는 파장의 X선을 사용할 수 있고 SPring-8의 방사광은 매우 밝기 때문에 미미한 신호의 관찰에도 특출납니다.
또 방사광의 중요한 특징으로서 빛(X선)의 파장의 진동방향이 규칙적인 편광이라는 성질이 있습니다. 그 중에서도 진동방향이 전파에 따라 나선을 그리는 원편광의 성질을 가진 X선이 전자의 자기상태를 조사하는데 편리합니다. 원편광 X선을 자화한 물질에 조사하면 원편광의 회전방향에 따라 X선의 흡수강도가 다릅니다. 이 성질을 X선 자기원이색성(XMCD)이라고 합니다. 예를 들어 철의 경우 왼쪽 방향의 원편광 X선 쪽이 오른쪽 방향일 때보다 X선을 많이 흡수합니다. 물질의 자성이 클수록 X선 흡수의 차이도 커집니다. 반대로 자성이 없는 물질이나 반자성체에서는 이 차이는 전혀 나오지 않습니다. 즉 원편광 X선을 사용하여 전자의 자기상태를 알 수 있습니다. 우회전의 원편광 X선과 좌회전의 원편광 X선의 흡수의 차이를 측정함으로써 물질의 자성을 조사할 수 있습니다.
세계 제일의 측정 정밀도로 금의 자성을 밝혀내다
스즈키 씨는 1997년에 SPring-8에서 일하기 시작하자마자 XMCD 측정을 실시하기 위한 자성재료 빔라인(BL39XU)의 건설에 종사해 측정 정밀도를 높이기 위한 기술개발을 해 왔습니다.
처음 금으로 이루어진 물질의 자성을 측정한 것은 2004년입니다. 호쿠리쿠 첨단과학기술대학원대학의 야마모토 요시유키(현재는 아키타대학 공학계 연구과 준교수)의 그룹이 직경 2나노미터 정도의 금입자를 측정하고 싶다는 것으로 측정해 본 결과 자성을 가진다는 사실을 알게 되었습니다. 당시 금을 나노미터 사이즈로 함으로써 강한 자성이 나타났다고 결론지었지만 이번에 보통 크기의 금을 측정한 결과 매우 미약한 신호이지만 나노입자 금의 자기신호와 비슷한 파형의 데이터를 얻었습니다.
이 결과는 스즈키 씨가 개발한 측정기술이 있었기 때문에 얻은 성과입니다. "야마모토 씨는 SPring-8에서의 측정 전에 프랑스의 방사광시설에 금 나노입자의 측정을 의뢰했지만 측정감도가 부족해 잘 작동하지 않았습니다. 그 후 SPring -8에서 같은 시료를 측정해보자 자기신호가 얻어졌습니다. SPring-8의 장치 성능이 뛰어나다는 것을 실감하고 매우 자신있게 되었다”고 스즈키 씨는 말합니다.
당시 SPring-8 이외의 방사광시설의 XMCD 측정에서는 우회전과 좌회전의 측정을 따로따로 하고 있었는데 이것이 사실이라면 시간이 걸리는 데다 데이터의 정밀도도 충분하지 않게 됩니다. 한편 스즈키 씨가 개발한 방법에서는 1초간에 40회(40헤르츠)라는 속도로 우회전과 좌회전을 교대로 신속하게 전환하고 동시에 측정합니다. 또 검출하는 장치는 40헤르츠 이외의 주파수는 없애도록 고안했습니다. "라디오의 주파수를 듣고 싶은 방송국에 맞추는 것과 같이 노이즈 중에서 측정하고 싶은 작은 신호만을 꺼내게 했다"고 스즈키 씨는 설명했습니다. 이 방법은 철의 자성의 10만분의 1의 크기의 신호까지 검출할 수 있는데(이번 측정한 금의 자성은 철의 1만분의 1의 크기) 그 정밀도는 세계 제일입니다. 현재 미국, 영국, 스페인에서도 스즈키 씨가 개발한 이 방법이 사용되고 있습니다.
스핀트로닉스라는 새로운 분야
금의 자성에 관련해 최근 관심이 높아지고 있는 것이 '스핀트로닉스'입니다. 우리 몸에 넘치는 일렉트로닉스 제품은 전자가 가지는 전하를 이용하고 전하나 전압의 있고 없음을 0과 1의 디지털 신호에 대응시켜 정보처리를 하고 있습니다. 스핀트로닉스는 스핀이 가지는 상향과 하향이라는 2가지의 상태를 일렉트로닉스에 도입해 더욱 많은 정보를 취급할 수 있도록 하려는 발상으로 시작된 연구분야입니다.
"금, 백금 등 원자번호가 크고 전자의 궤도운동이 큰 귀금속을 사용하면 전류 중의 전자스핀의 방향이 일정하게 만들기 쉬워진다는 것을 최근 알게 되었습니다. 스핀트로닉스에서는 스핀의 방향이 일정해진 전자를 흘리는 것이 중요하기 때문에 차세대 디바이스의 기반재료로서 금이나 백금이 유망시되고 있다"고 스즈키 씨는 말합니다.
인류는 기원전부터 금이 가진 영원한 빛에 매료되어 왔지만 21세기의 우리는 그것과는 다른 새로운 가치를 금에서 발견해 첨단기술에 사용하려고 연구에 몰두하고 있습니다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- 金に磁石の性質が隠れていた！ ～放射光が照らす原子の世界～
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/research_highlights/no_64/
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