기초과학

중국, V3O4 나노결정의 높은 양자터널링 자화온도현상 최신 발견

발행일 : 2012 / 10 / 30

중국과학기술대학 합비(合肥)마이크로척도 국가실험실의 씨에이(謝毅)과제팀과 강자기장센터의 연구원은 안정상태 강자기장 실험장비 전자스핀공진측정시스템을 이용해 비철베이스 단순화합물, 즉 초소형 반금속상태의 V3O4양자점이 16K일 때 양자터널링 자화현상이 나타난다는 것을 처음으로 발견하였다.

최근에 들어 새로운 양자상태로서 양자터널링 자화현상이 독특한 특성과 미래 자성메모리 및 자성계산기술에서 응용전망이 밝혀지자 응집체물리의 인기연구분야로 떠오르면서 세계적인 주목을 받게 되었다. 하지만 철(Fe)을 기초로 한 화합물(철베이스)의 경우 양자터널링 자화온도가 매우 낮은데다가 복잡한 구조 때문에 철베이스 재료를 이론모형으로 삼아 양자터널링 자화현상을 연구하는 것은 매우 힘들다.

다양한 원자가 상태를 지니는 바나듐은 산화물종류도 다양한데, 그 중 일부 산화물은 독특한 전기성과 자성을 나타낸다. Fe3O4와 유사한 역첨정석구조를 지니는 V3O4의 경우, V2+이온이 사면체 공극을, V3+이온이 1:1의 비례로 팔면체와 사면체 공극을 차지한다. 바나듐이온 가운데 전자-스핀 작용으로 인해 V3O4도 Fe3O4와 마찬가지로 유사한 반금속특성을 나타내는데, 이처럼 전자스핀상태가 다양하기 때문에 자성을 나타내게 된다.

최신연구 가운데 씨에이과제팀과 강자기장센터의 연구원은 간단한 용매열공법을 이용해 Oleylamine 시스템에서 처음으로 초소형 V3O4나노결정(<5nm)을 합성하였다. 합성한 V3O4의 자성을 측정한 결과, 실온에서 초상자성체를 나타내며 온도가 32K로 낮아지면 초상자성체에서 강자성체로 변하는 현상을 발견하였다. 흥미로운 것은, 온도를 계속해서 16K로 낮추었을 때 강자성체에서 초강자성체로 다시 돌아오는데, 이는 16K온도에서 양자터널링 자화현상이 나타난다는 것을 의미한다. V3O4의 양자터널링 자화온도는 Fe3O4나 기타 역첨정석구조를 지닌 철베이스산화물보다 훨씬 높다. 실험 및 이론계산 결과, V3O4구조가운데 V3+이온의 스핀-궤도 결합작용으로 나타내는 높은 이방성은 높은 양자터널자화온도에 결정적인 역할을 한다는 것이 입증되었다.

이 연구논문은 최근 [네이처]가 발행하는 온라인저널 “Scientific Reports”에 게재되었다.