초록 ▼

□연구개요
스피넬 구조 자성체 중 ZnCr₂Se₄에서는 최근접 강자성 상호작용과 차근접 반강자성 상호작용이 경쟁하여 결합성 좌절을 야기한다. 결과적인 스핀구조는 나선구조인데 상자성에서 나선 구조로의 상전이는 격자변형과 동시에 일어나며 부 열팽창과 매우 큰 자기변형 역시 관측된다. 이 세 현상은 모두 강한 스핀-격자 상호작용을 나타낸다. 그러나 Se^2-가 만드는 팔면체의 중심에 위치한 Cr³⁺ 이온들은 3개의 d전자를 가지고 있어서 t_2g

□연구개요
스피넬 구조 자성체 중 ZnCr₂Se₄에서는 최근접 강자성 상호작용과 차근접 반강자성 상호작용이 경쟁하여 결합성 좌절을 야기한다. 결과적인 스핀구조는 나선구조인데 상자성에서 나선 구조로의 상전이는 격자변형과 동시에 일어나며 부 열팽창과 매우 큰 자기변형 역시 관측된다. 이 세 현상은 모두 강한 스핀-격자 상호작용을 나타낸다. 그러나 Se^2-가 만드는 팔면체의 중심에 위치한 Cr³⁺ 이온들은 3개의 d전자를 가지고 있어서 t_2g의 세 궤도를 모두 한 개씩 채우고 있다. 이 경우 격자변형에 따른 에너지이득이 없기 때문에 얀-텔러 효과에 의한 격자변형이 일어나지 않고, 궤도각운동량이 quenching되어 LS coupling에 의한 자기변형 역시 없다. 이에 따라 결합성좌절을 격자변형을 통해 해소하는 “스핀 얀-텔러 효과”가 제시되었다.
이 과제에서 우리는 이 물질에서의 스핀 얀-텔러 효과를 조사하기 위해 최근접 및 차근접 상호작용들의 크기를 온도에 따른 Cr 핵자기공명 스펙트럼을 사용해 정량적으로 측정하였다.
Cr 핵자기공명 스펙트럼의 위치와 비등방성 초미세상호작용의 존재, 그리고 Se 핵자기공명 스펙트럼의 위치는 공유결합성에 의해 Se에서 Cr로의 전자밀도전이가 있으며 반대방향으로 스핀분극전이가 있다는 사실을 나타낸다. 이에 따라 Cr의 전자개수는 3개가 아니고, 결과적으로 공유결합을 통한“얀-텔러 효과”에 의한 격자변형이 있음을 나타낸다.

□연구 목표대비 연구결과
본 연구과제의 가장 큰 목표는 공유결합에 의한 격자변형 가능성의 검토에 있었다. 이와 관련하여 세부적인 목표는 두 가지로서 첫째는 스핀 얀-텔러 효과와 관련된 결합성 좌절에 있어서 매우 중요한 최근접 및 차근접 상호작용 상수의 결정이며, 둘때는 공유결합으로 인한 전자개수 변화 검증 및 격자변형 가능성의 검토였다.
먼저 온도에 따른 Cr의 영자기장 핵자기공명 주파수의 변화를 통해 자기정렬된 상태의 미소적인 M-T곡선을 구할 수 있었다. 해당 M-T곡선은 마그논의 개수에 의존하기 때문에 스핀파동의 상관관계로부터 이론적 계산을 통한 fitting을 진행할 수 있었다. 스핀파동의 상관관계는 전자스핀들 사이의 교환상호작용에 의해 결정되기 때문에 이론적 계산과 실험의 비교는 교환상호작용상수의 결정에 정보를 준다. 결과적으로 핵자기공명실험은 ZnCr₂Se₄에서 J₁이 J₂보다는 J₃와 결정적으로 경쟁하고, 이에 부수적으로 스핀나선구조의 형성과 스핀 얀-텔러 효과가 일어남을 보여준다. 특히 기존의 보고들이 제각기 다른 값을 제시하였기에 본 연구를 통하여 검증을 제시할 수 있었다.
다음으로 Se 핵자기공명 스펙트럼의 통상적이지 않은 높은 공명주파수와 Cr의 통상적인 값보다 낮은 공명주파수, 그리고 비등방성 초미세상호작용의 존재로부터 전자밀도전이와 스핀분극 전이가 Cr과 Se사이에 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 리간드이온이 O에서 Se으로 바뀌면서 통상의 산화물보다 공유결합성이 강해졌기 때문이다. 공유결합성에 의한 분자궤도를 고려하면 Se의 전자쌍은 Cr으로, Cr의 홑전자는 Se으로 이동하게 된다. 따라서 시료 전체를 생각하면 Cr이온 하나당 3m_B의 자기모멘트를 갖지만, Cr이온 위치의 전자개수는 3개보다 늘어나고, 자기모멘트는 3m_B보다 줄어들게 된다. 이 경우 격자변형을 통한 에너지이득이 존재하기 때문에 얀-텔러 효과에 의한 격자변형기작이 가능함을 나타낸다. 즉, 공유결합에 의한 격자변형을 보여주는 것이다. 또한, 이 물질에서 자기모멘트값 역시 기존의 보고마다 2m_B와 3m_B로 나뉘어 논쟁이 되어왔다. 본 연구결과는 왜 기존의 결과가 일치하지 않고 제각기 다른 결과를 내었는지 설명한다.

□연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
ZnCr₂Se₄는 전통적인 얀-텔러 변형이 없는데도 불구하고 스핀-격자 상호작용이 강하다는 점이 많은 관심을 끌어왔다. 이에 대한 한 가지 가능성은 스핀 얀-텔러 변형으로서 이의 검증에 강자성과 반강자성 상호작용들의 크기 결정이 중요하다. 우리는 온도에 따른 Cr의 핵자기공명실험을 통하여 최근접 상호작용과 3차근접 상호작용의 역할이 결합좌절에 있어서 가장 중요하다는 점을 알아내었다. 추가로 Cr의 핵자기공명, Se의 핵자기공명, 그리고 비슷한 물질군의 비교를 통하여 전자밀도전이와 스핀분극전이가 Cr과 Se사이에 존재하고, 결과적으로 Cr의 유효 전자개수는 3개보다 많으며 얀-텔러효과가 실존할 수 있음을 보여주었다. 이것은 현재까지 나온 가설들과는 다른 새로운 격자변형의 기작을 제시하는 것이기 때문에 중요한 의미를 지닌다고 생각된다. 또한 이 물질에서 오랫동안 여러 보고를 통해 논점이 되어왔던 교환상호작용 상수와 Cr의 자기모멘트 값에 대하여 실험적 검증을 제시하였고, 이 역시 매우 중요한 의미를 지닌다고 생각된다.

(출처 : 요 약 문 2p)