반강자성

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1. 개요
2. 초교환 상호작용
- 2.1. 초교환 상호작용의 개념
- 2.2. 초교환 상호작용과 반강자성
3. 반강자성체의 측정
- 3.1. 자화율
4. 반강자성 물질
5. 기하학적 좌절
6. 기타 특성
7. 광의의 반강자성
- 7.1. 복잡한 스핀 배열의 예
8. 응용
9. 관련 문서
참조

1. 개요

반강자성은 인접한 원자 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬되어 외부 자기장이 없을 때 총 자화가 0이 되는 자기적 성질을 말한다. 이러한 성질은 초교환 상호작용에 의해 발생하며, 많은 전이 금속 화합물, 합금, 그리고 일부 유기 분자에서 나타난다. 반강자성 물질은 외부 자기장 하에서 페리자성 거동을 보일 수 있으며, 자화율은 네엘 온도에서 최댓값을 갖는다. 반강자성체는 강자성체와 결합하여 스핀 밸브와 같은 장치에 응용되며, 하드 디스크 드라이브의 읽기 헤드와 자기 센서 등에 사용된다.

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상자성은 외부 자기장이 없을 때는 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 약하게 자화되는 성질을 말하며, 짝을 짓지 않은 전자의 스핀으로 인해 영구 자기 모멘트를 가지는 상자성체가 이러한 특징을 보인다.
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반강자성
개요
반강자성 모식도
설명	반강자성은 인접한 이온 또는 원자의 자기 모멘트가 상대적으로 정렬되지만 (강자성에서처럼), 반대 방향을 가리키는 물질의 자기적 순서의 한 형태이다.
설명 (추가)	이는 재료가 거시적 수준에서 순 자기 모멘트를 나타내지 않게 한다.
네엘 온도	반강자성 물질에서 정렬이 나타나는 온도이다.
반강자성의 자화율의 온도 의존성
상세 설명
자기 모멘트 정렬	반강자성은 규칙적인 자기 모멘트 정렬 패턴을 가진다.
네엘 온도 (néel temperature)	반강자성이 되는 온도이다.
특징	반강자성은 강자성과 유사하게, 외부 자기장이 없을 때에도 원자 수준에서 자기 모멘트가 정렬되는 현상이다. 하지만 강자성과는 달리, 인접한 원자들의 자기 모멘트가 서로 반대 방향을 향하기 때문에 전체적으로는 순수한 자성을 띠지 않는다.
자화율 (χ)	네엘 온도(TN) 이상에서는 상자성 물질과 유사한 거동을 보인다. 온도가 감소함에 따라 자화율은 증가하다가 네엘 온도에서 최댓값을 찍고, 이후에는 감소한다.
자화율 (χ) - 추가 설명	네엘 온도 이하에서는 외부 자기장에 수직한 방향의 자화율(χ⊥)은 일정하게 유지되지만, 평행한 방향의 자화율(χ∥)은 온도가 감소함에 따라 0으로 감소한다.
반강자성 물질 예시	산화철(II) (FeO) 염화망간(II) (MnCl2) 산화니켈(II) (NiO)
응용
스핀 밸브	반강자성 물질은 스핀 밸브의 핵심 구성 요소로 사용된다.
스핀 밸브 (추가 설명)	스핀 밸브는 자기 저항 효과를 이용하여 자기장의 변화를 감지하는 센서로, 하드 디스크 드라이브의 읽기 헤드 등에 사용된다.
박막	반강자성 박막을 강자성 박막과 함께 사용하여 강자성체의 자화를 고정시키는 데 활용된다.

2. 초교환 상호작용

초교환 상호작용은 두 자기 이온 사이에 비자기 이온이 개입하여 발생하는 간접적인 교환 상호작용이다. 이는 반강자성에서 나타나는 주요 상호작용 메커니즘으로, 반강자성체에서는 이온들이 부격자로 나뉘어 서로 반대 방향의 자기 모멘트를 갖는다는 점에서 강자성과 차이를 보인다.^[7]

2. 1. 초교환 상호작용의 개념

초교환 상호작용은 많은 반강자성체와 페리자성체에서 나타나는 상호작용의 원리이다. 산화망간(MnO)을 예로 들어 설명할 수 있다.^[7]

두 개의 망간 이온을 각각 Mn²⁺(A)와 Mn²⁺(B)로 표시한다. 초교환 상호작용은 Mn²⁺(A)와 Mn²⁺(B) 사이에 끼어 있는 산소 이온 O^2-를 통해 일어난다. Mn²⁺(A)의 3d 궤도에는 훈트 규칙에 따라 같은 방향을 향하는 5개의 전자에 의한 스핀이 존재한다. Mn²⁺(A)와 O^2- 사이에 화학 결합이 형성되려면, O^2-의 2p 궤도에 있는 전자는 Mn²⁺(A)의 3d 궤도에 있는 전자와 스핀 방향이 반대가 되어야 에너지가 최소화되고 안정된 결합을 이룰 수 있다.

Mn²⁺(A)와 O^2-가 전자의 스핀을 반대 방향으로 하여 화학 결합하면, 반대편의 Mn²⁺(B)도 O^2-의 2p 궤도의 전자와 화학 결합하기 위해 각 전자의 스핀 방향을 반대로 한다. 이때 O^2-에 남아 있는 2p 궤도의 전자는 처음에 Mn²⁺(A)와 결합한 2p 궤도의 전자와 반대 방향이므로, Mn²⁺(B)는 O^2-를 사이에 두고 Mn²⁺(A)와 반대 방향으로 결합하게 된다.

이러한 과정을 통해 Mn²⁺(A)와 Mn²⁺(B)의 5개 전자의 스핀은 거의 반대 방향을 향하게 되고 서로 상쇄된다. 이것이 반강자성에서 나타나는 초교환 상호작용의 개념이다.

2. 2. 초교환 상호작용과 반강자성

많은 반강자성체와 페리자성체에서 상호 작용의 기원은 초교환 상호작용이다. 반강자성체에서의 초교환 상호작용은 격자상으로 정렬하는 다수의 자기 모멘트의 방향에 의해 자기 특성이 설명되는 점에서는 강자성과 유사하지만, 반강자성체에서는 1종류의 이온이 반수씩의 부격자로 나뉘어 서로 거의 반대 방향의 자기 모멘트를 갖는 점에서 다르다.

산화망간을 예로 설명한다. 두 개의 부격자에 존재하는 망간 이온을 각각 Mn²⁺(A), Mn²⁺(B)로 표현한다. 초교환 상호작용은 좌우를 Mn²⁺(A)와 Mn²⁺(B)로 끼운 산소 이온 O^2-의 세 이온 사이에서 작용한다. Mn²⁺(A)의 3d 궤도에는 훈트의 규칙에 따라 같은 방향을 향한 5개의 전자에 의한 스핀이 존재한다. 두 망간 이온 사이에 끼인 산소 이온 O^2-의 2p 궤도의 한 전자가 Mn²⁺(A)의 3d 궤도에 있는 전자 하나와 화학 결합하기 위해서는 스핀의 방향이 서로 반대 방향이 되어 에너지를 최소로 하여 안정될 필요가 있다.

Mn²⁺(A)와 O^2-가 전자의 스핀 방향을 반대로 하여 화학 결합한 반대쪽의 Mn²⁺(B)도 O^2-의 2p 궤도의 전자와 화학 결합하기 위해 각각의 전자의 스핀 방향을 반대로 하지만, 이때 O^2-에 남아 있는 2p 궤도의 전자의 방향은 처음 Mn²⁺(A)와 결합한 2p 궤도의 전자와 반대 방향이므로, Mn²⁺(B)는 O^2-를 사이에 두고 Mn²⁺(A)와는 반대 방향으로 결합하게 된다.

이 이차 섭동의 결과로 Mn²⁺(A)와 Mn²⁺(B)가 갖는 5개의 전자의 스핀은 거의 반대 방향을 향하여 서로 상쇄된다. 이것이 반강자성에서의 초교환 상호작용이다.

3. 반강자성체의 측정

외부 자기장이 없을 때, 반강자성체는 총 자화가 0이 된다. 외부 자기장이 가해지면, 페리자성과 유사하게 0이 아닌 순 자화가 발생할 수 있다. 스핀 캔팅 효과로 인해 절대 영도에서도 작은 순 자화가 나타날 수 있는데, 적철석이 그 예시이다.

자기 모멘트 또는 스핀 사이의 다양한 미시적(교환) 상호작용은 반강자성 구조를 유발할 수 있다. 가장 간단한 경우로, 단순 입방 격자와 같은 이분 격자에서 가장 가까운 이웃 스핀 사이의 결합을 고려하는 이징 모형을 생각할 수 있다. 상호작용 부호에 따라 강자성 또는 반강자성 질서가 나타난다. 기하학적 좌절 또는 경쟁적인 강자성 및 반강자성 상호작용은 더 복잡한 자기 구조를 초래할 수 있다.

3. 1. 자화율

외부 자기장이 없을 때, 반강자성 구조는 전체 자화가 0이 된다. 외부 자기장이 가해지면, 반강자성 상태에서 한쪽 부분 격자 자화의 크기가 다른 부분 격자의 크기와 달라져 0이 아닌 순 자화가 발생하는, 일종의 페리자성 거동이 나타날 수 있다. 절대 영도에서는 순 자화가 0이어야 하지만, 스핀 캔팅 효과로 인해, 예를 들어 적철석에서 볼 수 있듯이 작은 순 자화가 발생하는 경우가 많다.

반강자성 물질의 자화율은 일반적으로 네엘 온도에서 최댓값을 보인다. 반면, 강자성에서 상자성으로의 상전이에서는 자화율이 발산한다. 반강자성의 경우에는, ''엇갈린 자화율''에서 발산이 관찰된다.

자화와 자화장의 관계는 강자성체에서와 같이 비선형적이다. 이 사실은 히스테리시스 루프의 기여 때문이며,^[3] 강자성체의 경우 잔류 자화를 포함한다.

4. 반강자성 물질

반강자성체는 특히 산화물을 포함한 전이 금속 화합물에서 흔히 나타난다. 적철광, 크롬과 같은 금속, 철망간(FeMn)과 같은 합금, 산화니켈(NiO)과 같은 산화물이 그 예이다.^[4] 또한, 많은 수의 고핵 금속 클러스터에서도 볼 수 있다. 5-데히드로-m-자일릴렌과 같은 라디칼에서 볼 수 있듯이, 유기 분자도 드물게 반강자성 결합을 나타낼 수 있다.

5. 기하학적 좌절

강자성과 달리, 반강자성 상호작용은 여러 최적 상태(바닥 상태—최소 에너지 상태)로 이어질 수 있다. 1차원에서 반강자성 바닥 상태는 스핀이 번갈아 가며 배열된 시퀀스이다: 위, 아래, 위, 아래 등등. 그러나 2차원에서는 여러 바닥 상태가 발생할 수 있다.

각 꼭짓점에 하나씩의 스핀이 있는 정삼각형을 생각해 보자. 각 스핀이 두 값(위 또는 아래)만 가질 수 있다면, 시스템의 가능한 상태는 2³ = 8가지이며, 그중 6가지는 바닥 상태이다. 바닥 상태가 아닌 두 가지 상황은 세 스핀이 모두 위이거나 모두 아래인 경우이다. 다른 여섯 가지 상태에서는 유리한 상호작용이 두 개, 불리한 상호작용이 하나 있다. 이것은 좌절을 보여준다. 즉, 시스템이 단일 바닥 상태를 찾을 수 없는 것이다. 이러한 유형의 자기적 거동은 카고메 격자 또는 육각 격자와 같은 결정적 적층 구조를 가진 광물에서 발견되었다.

6. 기타 특성

합성 반강자성체(SAF)는 비자성층으로 분리된 두 개 이상의 얇은 강자성층으로 구성된 인공 반강자성체이다.^[5] 강자성층의 쌍극자 결합으로 인해 강자성체의 자화가 반평행으로 정렬된다.

알베르 페르와 페터 그륀베르크는 1988년에 합성 반강자성체를 사용하여 거대 자기저항을 발견하였고, 이 공로로 2007년 노벨 물리학상을 수상하였다.

철 인산염 유리와 같은 무질서한 물질은 네엘 온도 이하에서 반강자성을 띤다. 이러한 무질서한 네트워크는 인접한 스핀의 반평행성을 '좌절'시킨다. 즉, 각 스핀이 반대 방향의 이웃 스핀으로 둘러싸인 네트워크를 구성하는 것은 불가능하다. 이웃 스핀의 평균 상관관계가 반강자성이라는 것만 확인할 수 있다. 이러한 유형의 자성을 스페로자성이라고 한다.

7. 광의의 반강자성

전형적인 반강자성에 대한 설명 외에도, 일부 물질에서는 더 복잡한 스핀 배열이 나타난다. 전체적으로 자기 모멘트를 갖지 않는다는 점에서 이러한 물질들도 넓은 의미의 반강자성으로 분류된다.^[1]

페리자성이나 약강자성은 전체적으로 자기 모멘트를 가지므로 강자성의 일종으로 분류되지만, 스핀 배열의 관점에서는 반강자성의 변형으로 볼 수 있다.^[1]

7. 1. 복잡한 스핀 배열의 예

망간 (Mn): 상온 안정 상인 α-망간은 단위세포당 58개의 원자를 포함하는 복잡한 입방정계이며, 원자의 위치에 따라 4종류의 다른 스핀을 가진다고 생각된다(자세한 내용은 아직 명확하지 않다).^[1]
크롬 (Cr): 체심입방구조의 꼭짓점 위치와 체심 위치의 스핀이 반대 방향을 향하고 있을 뿐만 아니라, 스핀의 크기가 단위세포마다 사인 함수적으로 변화하고 있다.^[1]
란타넘족 원소: 유로피움 (Eu), 터븀 (Tb), 디스프로슘 (Dy), 어븀 (Er)에서 이웃하는 스핀이 0도(평행)와 180도(반평행)의 중간 각도를 취하는 구조가 관찰되고 있다.^[1] 이것을 '''나선형 자성'''이라고 부른다.^[1]

8. 응용

반강자성체는 강자성체와 결합하여 교환 바이어스 메커니즘을 통해 강자성 박막의 배향을 "고정"하는 데 사용될 수 있다. 이러한 특성은 스핀 밸브의 핀층으로 활용되어 자화 방향을 고정하며, 하드 디스크 드라이브 읽기 헤드, 자기 센서 등 스핀트로닉스 소자에 응용된다.^[4]

9. 관련 문서

참조

_[1] 논문 A possible explanation of the field dependence of the susceptibility at low temperatures
_[2] 논문 Propriétés magnétiques des ferrites; Férrimagnétisme et antiferromagnétisme https://hal.archives[...]
_[3] 논문 Low-field variation of magnetic susceptibility and its effect on the anisotropy of magnetic susceptibility of rocks Oxford University Press 2002-09-01
_[4] 논문 Neutron Diffraction by Paramagnetic and Antiferromagnetic Substances American Physical Society (APS) 1951-07-15
_[5] 논문 The nano-mechanics and magnetic properties of high moment synthetic antiferromagnetic particles https://dspace.lboro[...]
_[6] 문서 금속이온의 반수 정도의 스핀이 역방향이 된다.
_[7] 서적 したしむ磁性朝倉書店 1999-11

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