[전자기학, 양자역학] 란타넘족 원소의 상자성(paramagnetism) 확인 실험

[P.W.Anderson]

------♡ 서로 배려하는 물화생지 ♡------ (지우지 마세용)

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란타넘족 원소 중 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er) 여섯 가지 원소 큐브를 구매하였습니다. 이 원소들을 네오디뮴 자석에 가까이하여 자기적 성질을 확인해 보았습니다.

Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er은 모두 상온에서 상자성(paramagnetism)을 띠는 희토류 원소로, 4f오비탈에 홀전자를 가지고 있습니다. 결합에 직접 참여하지 않는 4f오비탈이 강한 자기 모멘트를 만들어서 상온에서 상자성임에도 Mg, Al 등 Pauli paramagnetism에 의한 상자성 물질과 달리 자석에 잘 끌리는게 느껴집니다. 양자역학에서 LS커플링을 배울때 J=L+S라는 공식을 배우는데, 4f오비탈을 채우는 란타넘족 원소는 각운동량 양자수가 l=3까지 가능하고, 홀전자를 최대 7개까지 가질 수 있어서 자기 모멘트를 결정하는 J가 매우 큽니다.

다만 사마륨은 다른 셋에 비해서는 단위 부피당 자기 감수율(magnetic susceptibility) χ/V 값이 작아서 네오디뮴 자석으로도 잘 끌리지 않는 것 같네요. Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 등의 희토류 원소는 온도가 낮아지면 강자성체(ferromagnetism)로 상전이합니다. 이 때, 상자성체가 강자성체로 상전이하는 온도를 발견자 피에르 퀴리의 이름을 따서 퀴리 온도(Curie Temperature)라고 합니다. 반대로 Sm, Eu은 온도가 내려가면 자기 모멘트가 서로 상쇄되는 방향으로 배열하여 반강자성(antiferromagnetism)으로 상전이합니다. 이 온도는 네엘 온도(Néel Temperature)라고 부릅니다. 4f오비탈에 홀전자를 갖고 있는 원소들은 고유의 강한 자기모멘트 때문에 스핀트로닉스를 비롯한 현대물리학에서 매우 중요한 역할을 합니다. 현재 이 원소들을 이용해 메모리 소자, 양자컴퓨터, 자기냉동 기술 등 다양한 과학기술 개발이 이루어지고 있습니다.

관련 단원으로는 중학교 2학년 전기와 자기, 물리학1의 물질의 자성 정도가 있겠네요. 외에도 아이스팩, 드라이아이스, 액체질소 등을 이용하여 이 원소들을 퀴리 온도 이하로 낮춰 일어나는 상전이도 상태 변화의 일종이니 상태 변화 수업할때 보여주는 것도 좋을것 같습니다. 이들의 상전이 실험을 하게 되면 한번 올려보도록 하겠습니다.

참고문헌: Oxford Master Series in Condensed Matter Physics: Magnetism in Condensed Matter, Stephen Blundell