재미있는 양자 물질 하나 소개합니다

[P.W.Anderson]

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

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

란타넘 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite)라는 물질입니다. 보통 줄여서 LSMO라고 많이 부릅니다. 화학식은 사진에 써 있는것처럼 다음과 같습니다. 위에 나온 것은 단결정 박막은 아니고 박막을 만들기 위한 스퍼터링 타깃입니다.

기본형인 LaMnO₃에서 La 자리의 1/3을 Sr이 치환해서 저렇게 씁니다. 오히려 La₂SrMn₃O₉으로 써버리면 기본적인 유닛 셀의 MnO₃가 화학식에 드러나지 않아 보통 분수 표기로 냅둡니다.

LSMO의 재밌는 점은 이온 결정인데도 고체상에서 전기전도성이 있고, 강자성을 띤다는 것입니다. 눈치가 빠르신 분들은 눈치채셨겠지만 이 물질에서 Mn의 산화수가 3가와 4가가 섞여있습니다. 전자기학에서 전하가 고르게 분포하려는 성질을 생각하면 결국 Mn 3가에서 4가로 전자가 이동하면서 전기전도성을 갖게 됩니다.

이것은 이 LSMO,의 자성 메커니즘을 직접 정리해둔 것입니다. 조금 더 자세히 말하면 망가니즈의 e_g 오비탈이 페르미 준위 근처에 있고, 산소의 p오비탈을 매개로 망가니즈의 스핀이 정렬된 e_g 전자들이 물질 전체를 돌아다닙니다. 다시 말하면 전도전자들이 스핀을 한 방향을 유지한 채 돌아다니는데, 이러한 스핀의 흐름을 전하의 흐름을 전류라 하는 것에 빗대 스핀류(spin current)라 합니다. 또한 이렇게 비국소화된(물질을 자유롭게 돌아다니는) 전자의 스핀이 정렬해 나타나는 강자성을 유리자성(itinerant magnetism)이라고 합니다.

전자기학에서 자성에 영향을 주는 전류를 주로 전자석의 자유 전류(free current)와 영구자석의 속박 전류(bound current)로 나눕니다.

물질에서 전자가 채워지는 순서를 생각해보면, 21번 스칸듐(Sc)부터는 4s오비탈 안쪽에 있는 3d 오비탈을 채우고, 58번 세륨(Ce)부터는 6s오비탈보다 더 깊이 있는 4f오비탈을 채웁니다. 이거로 생각해보면 금속의 자유 전류는 원자가전자인 s, p오비탈, 속박 전류는 d, f오비탈이 주로 이룹니다. 짝지어지지 않은 전자가 있어야 영구자석이 될 수 있으니까요.

그런데 LSMO는 Mn의 3d 오비탈 중 에너지 준위가 높은 e_g가 자유 전류의 역할도 하면서, 스핀이 나란히 배열된 상태로 흐르다 보니 속박 전류의 역할도 합니다. 게다가 훈트의 스핀 최대 배열 규칙을 생각하면 e_g의 스핀 방향대로 t_2g까지 스핀 방향을 유지해야 하니 t_2g도 속박 전류의 역할을 합니다.

결국 요약하자면 국소화된 t_2g의 스핀의 배열(100% 속박 전류)+비국소화된 e_g스핀의 배열(자유 전류인 동시에 속박 전류) 때문에 전기전도성과 강자성을 동시에 갖습니다. 따라서 LSMO는 스핀트로닉스에서 첨단 소자로 연구되는 중이라고 합니다.

양자역학을 공부하거나 문제를 풀면서 실제 물리적 상황은 상상이 가지 않는 경우가 많습니다. 하지만 실제 세계의 물질을 잘 관찰하다 보면 양자역학적 효과를 오감으로 느낄 수 있는 경우가 상당히 많다는게 놀라울 따름입니다. 어릴땐 전류가 흐르고 자석이 물질에 붙는것을 보고 별 생각이 들지 않았는데 지금은 자석에 물질이 붙는다는 사소한(?) 사실 조차 굉장히 신기하게 느껴집니다.