[논문]자성소재 연구를 위한 중성자산란 입문

정재홍; 이상현; 박제근

doi:10.4283/jkms.2012.22.3.103

[국내논문] 자성소재 연구를 위한 중성자산란 입문
Introduction to Neutron Scattering for Magnetic Materials Research 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.22 no.3, 2012년, pp.103 - 108

정재홍 (서울대 물리천문학부, 복합다체계물성연구센터(CSCMR)) , 이상현 (서울대 물리천문학부, 복합다체계물성연구센터(CSCMR)) , 박제근 (서울대 물리천문학부, 복합다체계물성연구센터(CSCMR))

초록
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수 ${\AA}$의 파장과 수 meV에서 수백 meV의 에너지를 가지는 중성자는 물질의 구조와 동역학을 연구하는데 적절한 특징을 가지고 있다. 이런 중성자 산란은 지난 60여년 동안 발전되어 이제는 응집물질물리학을 비롯한 다양한 재료과학 분야에서 대표적이고 핵심적인 실험방법으로 자리잡았다. 본고에서는 이런 중성자 산란을 이용한 구조 및 동역학 연구의 기본 원리를 설명하고 간단한 예를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Having a de Broglie wavelength of a few ${\AA}$ with its corresponding energies in the range of a few to a few hundreds meV, neutrons are ideally suited for the studies of structure and dynamics in condensed matter research. Neutron scattering has been developed over the past 60 years or so and become a very mature and established experimental technique in the very broad range of material sciences. In this short introductory article, we have explained its working principles and provided few selected examples of application.

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AI 본문요약
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문제 정의

물질의 구조를 연구하는 전통적 방법에는 X-선 산란, 중성자 산란 등이 있고, 동역학 연구에는 라만 분광법, 중성자 산란 분광법 등이 있다. 본고에서는 자성소재 연구에서 중요한 중성자 산란의 기본 원리를 설명하고 이를 이용한 연구의 구체적인 예를 들고자 한다. 보다 다양한 중성자 산란의 소개와 한국원자력연구원 연구용원자로 하나로에 설치된 장치에 대한 설명은 한국물리학회에서 발행하는 물리학과 첨단기술에 실린 글들을 읽어 보기를 권한다[1].

가설 설정

이 시늉내기에는 한국원자력연구원의 하나로(HANARO)에 있는 고분해능 분말회절장치(High Resolution Powder Diffractometer)의 파장(λ = 1.834 Å)과 장치변수(U, V, W)를 사용하였고, 시료로는 망간원자(Mn4+)가 격자상수가 3Å인 가상의 단순입방구조(simple cubic)를 가지는 경우를 가정하였다.

제안 방법

본 연구진은 다중강성 물질 Y1 − xLuxMnO3에 대해 비자성원자인 Y과 Lu 도핑에 따른 결정구조 및 자기구조의 변화를 중성자회절실험으로부터 관측하였다[6].

성능/효과

8a는 단결정 YMnO₃ 시료를 가지고 삼축분광장치를 사용하여 측정한 스핀파이다[11]. 이 결과로부터 얻은 교환상호작용 값과 분말회절실험을 통해 얻은 구조분석 결과를 동시에 종합적으로 해석해 보면 이 물질의 다중강성 현상에 대한 미시적인 정보를얻을 수 있다. Fig.

후속연구

이제 우리나라에도 세계적인 연구용 원자로 하나로가 있고, 이웃 일본에 건설된 세계 최고의 파쇄중성자원인 J-PARC 시설이 있다. 이들 시설을 이용하여 우리나라 연구진이 우수한 연구성과를 도출하기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응집물질물리학의 목적은 무엇인가?	물질의 고체상태를 연구하는 응집물질물리학이란 넓은 의미에서 고체상태에서 발견되는 다양한 상전이를 이해하는 것이 목적이다. 이런 물질의 상전이는 수없이 많은 모습에도 불구하고 기본적으로 격자(lattice), 전하(charge), 스핀(spin), 궤도(orbital)의 네 가지 자유도에 기반하여 이해할 수 있다.
	물질의 구조를 연구하는 전통적 방법은 무엇이 있는가?	이런 다양한 현상을 설명하기 위해서는 물질의 격자 구조뿐 아니라 자성 구조 및 미시적 동역학에 대해서도 다각도로 접근하여야 한다. 물질의 구조를 연구하는 전통적 방법에는 X-선 산란, 중성자 산란 등이 있고, 동역학 연구에는 라만 분광법, 중성자 산란 분광법 등이 있다. 본고에서는 자성소재 연구에서 중요한 중성자 산란의 기본 원리를 설명하고 이를 이용한 연구의 구체적인 예를 들고자 한다.
	자성재료의 연구가 스핀과 궤도의 구조와 동역학을 이해하는 것임을 보여주는 예시는?	이중 스핀과 궤도는 자성과 밀접한 연관이 있으며, 자성재료의 연구는 이런 스핀과 궤도의 구조와 동역학을 이해하는 것이라고 해도 과언이 아니다. 예를 들면, 물질 내 전자의 스핀이 어떻게 배열되는가에 따라 상자성, 강자성, 반강자성이 일어나고, 다른 자유도와 결합하면 스핀-격자 상호작용, 스핀-궤도상호작용 등 복잡한 현상이 일어난다.

참고문헌 (12)

물리학과첨단기술 18, 5월호 (2009).
T. Mason, Physics Today 59, 44 (2006).
T. Kamiyama, private communications (2003).
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J. Jeong, E. A. Goremychkin, T. Guidi, K. Nakajima, G. S. Jeon, S.-A. Kim, S. Furukawa, Y. B. Kim, S. Lee, V. Kiryukhin, S.-W. Cheong, and J.-G. Park, Phys. Rev. Lett. 108, 077202 (2012).

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