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마그논

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1. 개요

마그논은 1930년 펠릭스 블로흐에 의해 도입된 개념으로, 강자성체에서 자발 자화 감소 현상을 설명하기 위해 사용된다. 절대 영도에서 모든 원자 스핀이 같은 방향을 가리키는 강자성체는 온도가 증가함에 따라 스핀의 무작위 정렬로 인해 순 자화가 감소하는데, 이때 정렬되지 않은 스핀을 준입자 가스, 즉 마그논으로 볼 수 있다. 마그논은 스핀파의 양자화된 형태로, 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 보손처럼 행동하며, 다양한 산란 기법을 통해 연구된다. 파라마그논은 고온 상자성 상태에서 존재하는 마그논이며, 마그논을 제어하려는 시도는 마그노닉스 기술로 발전하여 저전력 소자 응용에 기여할 것으로 기대된다.

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마그논
지도 정보
기본 정보
유형준입자
통계보손
구성스핀파
스핀1
물리적 특성
성질스핀파의 양자화된 여기
자성 결정의 기본적인 여기
관련 주제
관련 입자포논
플라즈몬
폴라론
엑시톤
로톤
쿠퍼 쌍
관련 현상강자성
반강자성
페리자성

2. 역사

마그논 개념은 1930년 펠릭스 블로흐가 강자성체의 자발 자화 감소 현상을 설명하기 위해 처음 도입했다.[1] 절대 영도(0K)에서 하이젠베르크 강자성체는 모든 원자 스핀이 같은 방향을 가리키는 바닥 상태에 도달한다. 온도가 올라가면 스핀들이 무작위로 정렬에서 벗어나 내부 에너지가 증가하고 순 자화가 감소한다. 제로 온도에서 완벽하게 자화된 상태를 강자성체의 진공 상태로 본다면, 약간의 정렬되지 않은 스핀이 있는 저온 상태는 준입자(이 경우 마그논)의 기체로 볼 수 있다.

이후, 양자화된 스핀파의 양자 이론은 시어도어 홀스타인과 헨리 프리마코프(1940년), 프리먼 다이슨(1956년)이 발전시켰다. 이들은 제2양자화 형식을 사용하여 마그논이 보스-아인슈타인 통계를 따르는 약하게 상호작용하는 준입자임을 보였다.

1957년 버트럼 브록하우스가 페라이트에서 비탄성 중성자 산란을 이용해 마그논을 실험적으로 직접 검출했다.

2. 1. 초기 이론 발전

1930년 펠릭스 블로흐는 강자성체에서 자발 자화가 감소하는 현상을 설명하기 위해 마그논 개념을 도입했다.[1] 절대 영도(0 K)에서 하이젠베르크 강자성체는 모든 원자 스핀(및 자기 모멘트)이 같은 방향을 가리키는 가장 낮은 에너지 상태(바닥 상태)에 도달한다. 온도가 증가하면 더 많은 스핀이 정렬에서 벗어나 무작위로 움직여 내부 에너지가 증가하고 순 자화가 감소한다. 영도에서 완벽하게 자화된 상태를 강자성체의 진공 상태로 본다면, 몇몇 스핀이 정렬되지 않은 저온 상태는 준입자(이 경우 마그논)의 기체로 볼 수 있다.

1940년 시어도어 홀스타인과 헨리 프리마코프는 양자화된 스핀파인 마그논에 대한 정량적 이론을 더 발전시켰다.[2] 1956년 프리먼 다이슨은 제2 양자화 형식을 사용하여 마그논이 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 약하게 상호작용하는 준입자(보손)처럼 행동한다는 것을 보였다.[3]

2. 2. 실험적 검증

1957년 버트램 브록하우스[6]는 페라이트에서 비탄성 중성자 산란을 통해 마그논을 실험적으로 직접 검출하였다. 이후 마그논은 강자성체, 페리자성체, 반강자성체에서 검출되었다. 1960년대부터 1980년대까지 수행된 광 산란 실험을 통해 마그논이 보즈-아인슈타인 통계를 따른다는 사실이 확인되었다.

2. 3. 보즈-아인슈타인 응축 현상 연구

마그논이 보즈-아인슈타인 통계를 따른다는 사실은 1960년대부터 1980년대까지 수행된 광 산란 실험으로 확인되었다. 고전 이론에서는 스토크스 선과 반스토크스 선의 세기가 같다고 예측했지만, 실제 실험에서는 마그논 에너지가 열 에너지와 비슷하거나 낮은 경우(\hbar \omega < k_\text{B} T) 보즈-아인슈타인 통계에 따라 스토크스 선이 더 강하게 나타났다. 이후, 니쿠니 등[7]은 저온에서 반강자성체에서, 데모크리토프 등[8]은 상온에서 페리자성체에서 마그논의 보즈-아인슈타인 응축을 증명하였다. 2015년에는 우치다 등[9]이 표면 플라스몬 공명에 의한 스핀 전류 생성을 보고하였다.

3. 파라마그논

파라마그논은 고온의 무질서한, 즉 상자성 상태의 자성체 내에 있는 마그논이다. 충분히 낮은 온도에서는 강자성 또는 반강자성 화합물에서 국소적인 원자 자기 모멘트(스핀)가 정렬된다. 자연 방향 주변의 모멘트의 작은 진동은 파동으로 전파되는데, 이것이 마그논이다. 임계 온도보다 높은 온도에서는 장거리 질서는 사라지지만, 스핀은 여전히 국소적으로 패치 형태로 정렬되어 스핀 파가 짧은 거리 동안 전파될 수 있다. 이러한 파동을 파라마그논이라고 하며, 탄도 전도 또는 장거리 전도가 아닌 확산을 통해 수송된다.

이 개념은 일부 금속에서 전자 간의 추가적인 반발력을 설명하기 위해, 버크(Berk)와 슈리퍼(Schrieffer)[10], 도니아크(Doniach)와 엥겔스버그(Engelsberg)[11]가 전이 금속에서의 스핀 변동을 기반으로 처음 제안하였다. 이 반발력은 초전도의 임계 온도를 감소시킨다.

4. 성질

마그논의 거동은 다양한 산란 기법을 이용하여 연구할 수 있다. 마그논은 화학 퍼텐셜이 없는 보즈 기체처럼 거동한다. 마이크로파 펌핑을 사용하여 스핀파를 여기시키고 추가적인 비평형 마그논을 생성할 수 있으며, 이는 포논으로 열화된다. 임계 밀도에서 응축물이 형성되며, 이는 단색 마이크로파의 방출로 나타난다. 이 마이크로파 광원은 인가된 자기장으로 조정할 수 있다.

5. 마그노닉스

마그노닉스는 마그논을 이용하여 정보를 전달하고 처리하는 기술이다. 저전력 소비 및 테라헤르츠 이하 영역에서의 소자 응용이 기대되는 차세대 기술이다.[12]

참조

[1] 논문 Zur Theorie des Ferromagnetismus
[2] 논문 Field Dependence of the Intrinsic Domain Magnetization of a Ferromagnet
[3] 논문 General Theory of Spin-Wave Interactions
[4] 서적 Introduction to Solid State Physics Wiley
[5] 논문 Spin Waves
[6] 논문 Scattering of Neutrons by Spin Waves in Magnetite
[7] 논문 Bose-Einstein Condensation of Dilute Magnons in TlCuCl3
[8] 논문 Bose–Einstein condensation of quasi-equilibrium magnons at room temperature under pumping 2006-09-28
[9] 논문 Generation of spin currents by surface plasmon resonance 2015-01-08
[10] 논문 Effect of Ferromagnetic Spin Correlations on Superconductivity 1966-01-01
[11] 논문 Low-Temperature Properties of Nearly Ferromagnetic Fermi Liquids 1966-01-01
[12] 웹사이트 스핀파의 전파에 있어서의 파수의 제어, 및 스넬의 법칙의 확인 https://www.magnetic[...]



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