퀴리 온도

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1. 개요

퀴리 온도는 강자성체의 자성이 사라지고 상자성으로 변하는 임계 온도를 의미한다. 이 온도는 자기 모멘트의 정렬 상태와 관련된 에너지의 균형에 의해 결정되며, 원자의 열 에너지가 자기 모멘트의 결합 에너지보다 커지면 강자성 성질을 잃게 된다. 퀴리 온도는 강자성체, 상자성체, 페리자성체, 반강자성체 등 다양한 자성 물질의 특성을 결정하며, 퀴리-바이스 법칙을 통해 자화율을 예측할 수 있다. 퀴리 온도는 물질의 종류에 따라 다르며, 복합 재료, 입자 크기, 압력, 궤도 배열 등 다양한 요인에 의해 조절될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 정보 저장 매체, 온도 제어, 농업, 지질학 등 다양한 분야에 응용된다.

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임계점은 상평형 그림에서 액체와 기체, 또는 두 액체 상 사이의 경계가 사라지는 특정 온도와 압력의 지점으로, 액체-기체 임계점은 증기압 곡선의 종점에 해당하며, 그 이상의 온도에서는 압력을 가해도 액체 상태를 유지할 수 없는 지점이다.
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퀴리 온도
개요
정의	자성체의 자기적 성질이 변하는 온도
관련 속성	강자성체, 상자성체
설명	퀴리 온도 이하에서는 강자성체가 강한 자성을 띠지만, 퀴리 온도 이상에서는 상자성체로 변하여 자성이 약해짐.
특징
자기 모멘트	퀴리 온도 이하에서는 인접한 자기 스핀이 서로 평행하게 정렬됨 (그림 1)
자기 모멘트	퀴리 온도 이상에서는 자기 스핀이 무작위로 정렬됨 (그림 2)
외부 자기장	외부 자기장이 적용되지 않으면 퀴리 온도 이상에서는 자기 스핀이 무작위로 정렬됨
물질 상태 변화	퀴리 온도에서 강자성체에서 상자성체로 상태가 변함
관련 인물
발견자	피에르 퀴리
관련 정보	피에르 퀴리 – 전기 참조

2. 퀴리 온도의 원리

퀴리 온도는 강자성체 내에서 자기 모멘트의 정렬 상태와 관련된 에너지 사이의 균형에 의해 결정된다. 퀴리 온도 이상에서는 원자의 열에너지가 자기 모멘트의 결합 에너지와 같아져 자기 모멘트가 결합하지 못한다. 자기 모멘트의 결합 에너지는 스핀을 같은 방향으로 정렬시키려 하지만, 원자의 열 에너지는 정렬된 상태를 흐트려뜨리려 하므로 두 에너지가 상반된 효과를 나타낸다.^[6]^[7]

퀴리 온도는 이 두 에너지가 같아지는 임계 온도로, 이 이상의 온도에서는 열 에너지가 결합 에너지보다 커져 자기 모멘트가 정렬된 상태로 존재할 수 없다. 이때 물체의 알짜 자화는 0이 되어 강자성의 성질을 잃게 된다.

원자 수준에서 자기 모멘트는 전자기 모멘트와 핵자기 모멘트 두 가지 요인에 의해 결정된다. 이 중 전자기 모멘트가 지배적이며, 핵자기 모멘트는 무시할 수 있다. 고온에서는 전자가 더 높은 열에너지를 가지게 되어 정렬된 자기 도메인에 무작위 효과를 일으켜 질서를 붕괴시키고 퀴리 온도 현상을 초래한다.^[6]^[7]

강자성체, 상자성체, 페리자성체, 반강자성체는 서로 다른 고유 자기 모멘트 구조를 가지고 있다. 물질의 특정 퀴리 온도()에서 이러한 특성은 변화한다. 반강자성에서 상자성으로 (또는 그 반대로)의 전이는 네엘 온도()에서 발생하는데, 이는 퀴리 온도와 유사하다.

이하	이상
강자성	↔ 상자성
페리자성	↔ 상자성
이하	이상
반강자성	↔ 상자성

강자성체, 상자성체, 페리자성체 및 반강자성체 구조는 고유 자기 모멘트로 구성된다. 구조 내의 모든 전자가 쌍을 이루는 경우, 이러한 모멘트는 서로 반대되는 스핀과 각운동량으로 인해 상쇄된다. 따라서 외부 자기장을 가하더라도 이러한 재료는 서로 다른 특성을 가지며 퀴리 온도가 없다.^[13]^[8]

2. 1. 강자성체의 퀴리 온도

물질은 각각의 퀴리 온도 이하에서만 강자성을 띤다. 강자성체는 외부 자기장이 없어도 자성을 갖는다. 외부 자기장이 없을 때, 물질은 자발 자화를 갖는데, 이는 정렬된 자기 모멘트의 결과이다. 즉, 강자성의 경우 원자는 대칭적이며 같은 방향으로 정렬되어 영구 자기장을 생성한다.^[17]

자기적 상호 작용은 교환 상호 작용에 의해 유지된다. 그렇지 않으면 열적 무질서가 자기 모멘트의 약한 상호 작용을 압도할 것이다. 교환 상호 작용은 평행 전자가 동시에 같은 지점을 점유할 확률이 0이므로, 물질 내에서 평행 정렬을 선호한다.^[17] 볼츠만 인자는 상호 작용하는 입자가 같은 방향으로 정렬되는 것을 선호하기 때문에 크게 기여한다.^[18] 이로 인해 강자성체는 높은 퀴리 온도를 갖는다.^[19]

퀴리 온도 이하에서는 원자가 정렬되고 평행하여 자발 자기 현상이 발생한다. 즉, 물질은 강자성을 띤다. 퀴리 온도 이상에서는 물질이 상전이를 거치면서 원자가 정렬된 자기 모멘트를 잃기 때문에 상자성을 띤다.^[16] 퀴리 온도 이상에서 상자성이 나타나는 이유는 원자의 열에너지가 자기 모멘트의 결합에너지와 같아져서 자기모멘트가 결합하지 못하기 때문이다. 자기 모멘트의 결합 에너지는 스핀을 같은 방향으로 정렬시키려고 하지만, 원자의 열 에너지는 정렬된 상태를 흐트려뜨리려 하므로, 두 에너지가 상반되는 효과를 나타낸다. 퀴리 온도는 이 두 에너지가 같아지는 임계 온도로, 이 이상의 온도에서는 열 에너지가 결합 에너지보다 더 커지기 때문에 자기 모멘트가 정렬된 상태로 존재할 수 없다. 이 상황에서는 물체의 알짜 자화가 0이 되므로 강자성의 성질을 잃게 된다.

자기 (쌍극자)모멘트의 위치 에너지

U

가

-\mathbf{m_o} \cdot \mathbf{B}

으로 주어지는 것을 이용하여 자기 모멘트의 열평균을 구하면, 물질의 자화와 온도를 연관짓는 랑주뱅 함수를 도출할 수 있다.

:

|\mathbf{M}|=Nm_0[\coth{y} - \frac{1}{y}].

여기서

N

는 단위 부피당 입자의 수이고,

y

는 자기 모멘트

m_o

, 진공의 투자율

\mu_o

, 미시적 H

H_m

, 볼츠만 상수

k

, 온도

T

에 대해

:

y=\frac{m_o\mu_oH_m}{kT}

로 정의된 값이다.

한편 미시적 H

H_m

는 물체 안에 작은 구를 잡고, 그 구의 중심에서 측정되는 H라고 할 수 있다. 따라서 미시적

H_m

은 거시적

H

와, 구 바로 바깥에 있는 입자들이 행사하는 H인

H_s

, 그리고 구 안에 있는 입자들이 행사하는 H인

H'

의 합으로 나타낼 수 있다. 즉,

:

\mathbf{H_m}=\mathbf{H}+\mathbf{H_s}+\mathbf{H'}

그런데 강자기성 물체에서는 측정점과 이웃하는 입자들과의 매우 강한 상호작용을 하므로,

H_s

와

H'

를

M

에 비례하는 값으로 대체할 수 있다.

:

\mathbf{H_m}=\mathbf{H}+\mathbf{\gamma M}

위 식을 거시적 H가 0인 경우에

y

에 대입하면 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.

:

y=\frac{m_o\mu_o\gamma M}{kT}

이것으로

y

와

M

에 관한 식을 두 개 얻었으므로, 원점이 아닌 곳에서의 이들의 교점이 곧 두 식의 해가 된다. 그런데 그림에서 보이는 것과 같이, 높은 온도에서는 직선과 곡선의 교점이 원점 외에는 없는 것을 알 수 있다. 이 경우는 자발적 자화를 하지 않는 것으로 해석할 수 있다. 반면 낮은 온도에서는 원점 외의 점에서도 교점이 생기는데, 이로 미루어보아 원점에서 직선과 곡선의 기울기가 같아지는 온도가 두 상태의 임계온도인 "퀴리 온도"라고 할 수 있다.

랑주뱅 함수로 기술되는 위의 식을 테일러 전개하여 1차 근사하면

:

|M|\sim \frac{Nm_o}{3}y

이 된다. 이 식의 기울기와 직선 식의 기울기가 같아지는 온도를 퀴리 온도라고 할 수 있다. 즉,

:

T_c=\frac{Nm_0^2\mu_0 \gamma}{3k}

\gamma

는 물체마다 값이 다르며, 강자기성 물체의 경우 그 값이 거의 1000을 상회한다.^[57]

주요 강자성체 및 퀴리 온도
물질명	퀴리 온도 (K)
Co	1388
Fe	1043
Ni	627
Gd	292
Dy	88
MnBi	630
MnSb	587
MnAs	318
CrO₂	386
EuO	69

2. 2. 강유전체의 퀴리 온도

퀴리 온도()는 강유전체 물질이 상유전체로 전이되는 온도를 의미한다. 이 온도에서 강유전체는 1차 또는 2차 상전이를 겪으며 자발 분극을 잃게 된다. 2차 상전이의 경우, 유전율이 최대가 되는 퀴리-바이스 온도()는 퀴리 온도와 동일하다. 그러나 1차 상전이에서는 퀴리 온도가 보다 10K 더 높을 수 있다.^[49]

이하	이상^[50]
강유전체	↔ 유전체 (상유전체)
반강유전체	↔ 유전체 (상유전체)
페리유전체	↔ 유전체 (상유전체)
헬리컬 유전체	↔ 유전체 (상유전체)

물질은 해당 전이 온도 아래에서만 강유전성을 가진다.^[51] 강유전체는 모두 압전성을 가지며, 이는 구조적 비대칭성으로 인해 자발 분극이 나타나기 때문이다.

강유전체 물질의 분극은 히스테리시스(그림 4)의 영향을 받아 과거 상태에 의존한다. 전기장이 가해지면 쌍극자가 정렬되어 분극이 발생하고, 전기장이 제거되어도 분극은 유지된다. 히스테리시스 루프는 온도에 따라 변화하며, 온도가 증가하여 에 도달하면 두 곡선이 하나로 합쳐져 유전 분극(그림 5)과 같은 형태가 된다.^[52]

강자성체와 유사하게, 퀴리 온도는 강유전체(압전물질)가 자발 분극이나 압전 특성을 잃는 온도를 지칭한다. 티탄산지르콘산납 (PZT)의 경우, 이하에서는 정방정계 구조를 가지며, 단위 격자 중심에 변위된 양이온이 존재하여 전기쌍극자를 형성한다. 반면 이상에서는 입방정계 구조로 바뀌면서 중심의 변위 양이온이 정확히 중심에 위치하게 되어 전기 쌍극자 모멘트와 자발 분극이 사라진다.

3. 퀴리-바이스 법칙

퀴리-바이스 법칙은 퀴리 법칙을 수정한 것으로, 평균장 이론 근사를 통해 유도된 모델이다. 이 법칙은 물질의 온도가 퀴리 온도보다 훨씬 높을 때, 즉 $T \gg T_C$ 일 때 잘 적용된다. 그러나 퀴리점 근처에서는 인접한 자기 모멘트의 변동 상관관계 때문에 자기 감수율를 정확하게 설명하지 못한다.^[25]

상자기성 물질에 대한 퀴리 법칙은 다음과 같다.^[26]

: $\chi = \frac{M}{H} =\frac{M \mu_0}{B} =\frac{C}{T}$

정의
	자기 감수율; 인가된 자기장이 물질에 미치는 영향
	단위 부피당 자기 모멘트
	거시적 자기장
	자기장
	물질 특유의 퀴리 상수

퀴리 상수 는 다음과 같이 정의된다.^[27]

: $C = \frac{\mu_0 \mu_\mathrm{B}^2}{3 k_\mathrm{B}}N_\text{A} g^2 J(J+1)$

정의
$N_\text{A}$	아보가드로 수
	진공의 투자율. 참고: CGS 단위계에서는 1로 간주된다.^[28]
	란데 g 인자
	불완전한 원자 껍질(쌍을 이루지 않은 전자) 내 정상 상태에 대한 고유 상태 J²에 대한 고유값
	보어 마그네톤
	볼츠만 상수
총 자기성	은 단위 부피당 자기 모멘트의 수이다.

퀴리-바이스 법칙은 퀴리 법칙에서 유도되며, 다음과 같이 표현된다.

: $\chi = \frac{C}{T-T_\mathrm{C}}$

여기서 는 바이스 분자장 상수이고, $T_\mathrm{C} = \frac{C \lambda }{\mu_0}$ 이다.^[27]^[29]

퀴리-바이스 법칙은 근사식이므로, 온도 가 물질의 퀴리 온도 에 가까워지면 더 정확한 모델이 필요하다. 퀴리 온도 이상에서는 자기 감수율이 나타나는데, 임계 지수 를 갖는 자기 감수율에 대한 임계 거동의 정확한 모델은 다음과 같다.

: $\chi \sim \frac{1}{(T - T_\mathrm{C})^\gamma}$

임계 지수는 물질에 따라 다르며, 평균장 모델에서는 = 1로 간주된다.^[30]

온도는 자기 감수율에 반비례하므로, 가 에 가까워지면 분모는 0에 가까워지고 자기 감수율은 무한대에 가까워져 자성이 나타난다. 이것은 자발적 자기화이며, 강자성 및 페리자성 물질의 특성이다.^[31]^[32]

퀴리-바이스 법칙은 유전율 또는 상대 유전율에도 적용될 수 있다.^[49]^[53]

: $\epsilon = \epsilon_0 + \frac{C}{T-T_\mathrm{0}}.$

자성체에서 퀴리-바이스 법칙은 다음과 같이 나타난다.

: $\chi = \frac{C}{T - \theta_p}$

여기서 χ는 자화율, T는 절대온도, C는 퀴리 상수, $\theta_p$ 는 상자성 퀴리 온도이다.

유전체에서도 유사하게 퀴리-바이스 법칙이 성립한다.

: $\epsilon = \frac{C}{T - \theta_p}$

여기서 ε는 유전율, T는 절대온도, C는 퀴리 상수, $\theta_p$ 는 상유전성 퀴리 온도이다.

4. 다양한 물질의 퀴리 온도

다양한 강자성체 및 강유전체의 퀴리 온도는 물질의 종류와 조성에 따라 크게 달라진다.^[58] 아래는 각각 다른 물질에서의 다양한 퀴리 온도를 나타낸 표이다.

여러 강자성 및 강유전성 물질의 퀴리 온도^[2]^[3]^[4]
물질	퀴리 온도 (K)	퀴리 온도 (°C)
Co	1388	1127
Fe	1043	770
FeOFe₂O₃^*	858	585
NiOFe₂O₃^*	858	585
CuOFe₂O₃^*	728	455
MgOFe₂O₃^*	713	440
MnBi	630	357
Ni	627	354
MnSb	587	314
MnOFe₂O₃^*	573	300
Y₃Fe₅O₁₂^*	560	287
CrO₂	386	113
MnAs	318	45
Gd	292	19
Dy	88	-185
EuO	69	-204

는 페리자성체이다.^영어

4. 1. 강자성 물질

아래는 여러 강자성 물질들의 퀴리 온도를 나타낸 표이다.^[58]

여러 강자성 물질의 퀴리 온도^[2]^[3]^[4]^[58]
물질	퀴리 온도 (°C)
철 (Fe)	770
코발트 (Co)	1127, 1130
니켈 (Ni)	354, 358
가돌리늄 (Gd)	19, 20
디스프로슘 (Dy)	-185
비스무트화망간 (MnBi)	357
안티몬화망간 (MnSb)	314
사산화크롬 (CrO₂)	113
비소화망간 (MnAs)	45
유로피움 산화물 (EuO)	-204
산화철(III) (Fe₂O₃)	622, 675
산화철(II,III) (FeOFe₂O₃)	585
NiO–Fe₂O₃	585
CuO–Fe₂O₃	455
MgO–Fe₂O₃	440
MnO–Fe₂O₃	300
이트륨 철 가닛 (Y₃Fe₅O₁₂)	287
네오디뮴 자석	310–400
알니코	700–860
사마륨-코발트 자석	720–800
스트론튬 페라이트	450

가돌리늄은 거의 실온인 19 °C 이하에서는 강자성을 띠지만, 그 이상에서는 강한 상자성을 나타낸다.^[59]

4. 2. 강유전체 물질

퀴리 온도는 강유전체(압전물질)가 자발분극이나 압전 특성을 잃는 온도에도 사용된다. 티탄산지르콘산납(PZT)의 경우,

T_\mathrm{c}

이하에서는 정방정계이며, 단위격자의 중심에는 변위된 양이온이 있기 때문에 전기쌍극자를 갖는다.

T_\mathrm{c}

이상에서는 입방정계가 되고, 중심의 변위 양이온은 정확히 중심에 위치하게 된다. 따라서 전기쌍극자 모멘트와 자발분극이 없어진다.

5. 퀴리 온도의 응용

퀴리 온도는 다양한 과학기술 분야에 응용된다.

광자기 저장 매체에 데이터를 쓰고 지우는 데 사용된다.^[54] 소니 미니디스크 형식과 CD-MO 형식이 대표적이다.
고속 증식로의 수동 안전 시스템 작동 메커니즘으로 제안 및 시험되었으며, 작동 메커니즘이 재료의 퀴리 온도를 넘어가면 제어봉이 원자로 코어로 떨어진다.^[54]
납땜 인두의 온도 제어^[55], 온도 변화에 대한 회전 속도계 발생기의 자기장 안정화^[56] 등에 쓰인다.

주요 강자성체 및 퀴리 온도 (*는 페리자성체)
물질명	퀴리 온도 (K)
Co	1388
Fe	1043
FeOFe₂O₃^*	858
NiOFe₂O₃^*	858
CuOFe₂O₃^*	728
MgOFe₂O₃^*	713
MnBi	630
Ni	627
MnSb	587
MnOFe₂O₃^*	573
Y₃Fe₅O₁₂^*	560
CrO₂	386
MnAs	318
Gd	292
Dy	88
EuO	69

5. 1. 정보 저장 매체

열에 의한 강자성-상자성 상전이(Curie transition)는 광자기 저장 매체에 데이터를 지우고 쓰는 데 사용된다. 대표적인 예로는 소니 미니디스크 형식과 현재는 구식이 된 CD-MO 형식이 있다.

이 효과는 광자기 디스크(MO)와 같은 기록 매체의 데이터 삭제 및 기록에 사용된다. 소니의 미니디스크나 보편화되지는 않았던 CD-MO 등에도 응용되었다.

5. 2. 온도 제어

납땜 인두와 같은 장비의 온도 제어에 퀴리 온도가 사용될 수 있다.^[55] Weller사의 WTCPT 납땜 인두가 그 예시이다.

5. 3. 농업

벼 해충 박멸에 퀴리 온도를 이용하는 기술이 연구되었다. 해충은 65°C에서 죽고 벼는 그 이상으로 가열하면 변질되므로 정확하게 65°C까지만 가열해야 한다. 퀴리 온도가 65°C인 강자성체 분말을 벼에 뿌린 다음 자기장을 가하면, 전자기 유도 현상으로 인해 분말에 전기가 생긴다. 그리고 전기 저항에 흐르는 전류로 열이 발생하여 벼의 온도가 점점 올라간다. 65°C가 되면 자성을 잃어 전기가 발생하지 않기 때문에 더 이상 온도가 올라가지 않는다.

5. 4. 지질학

일반적인 암석의 퀴리 온도는 550°C 정도인데, 지각으로부터 30~40km 깊이에서 이 온도에 이른다. 이 성질을 이용하여 자력 탐사 자료로부터 지각 내 깊이를 계산하여 지열 탐사에 이용한다.^[1]

해저확장설은 해령에서부터 새로운 해양 지각이 만들어짐을 밝히기 위해 지자기 역전을 이용한다. 즉, 높은 온도의 마그마가 해령으로 올라오면서 내부의 강자성 물질이 지구의 자기장 방향으로만 정렬되는 현상을 이용하는 것이다.^[1] 이때 온도가 퀴리 온도 이하로 내려가면 강자성 물질이 [https://www.scienceall.com/%EC%9E%90%EC%84%B1%EC%B2%B4magnetic-substance/ 자성]을 갖기 시작한다.^[1]

5. 5. 기타 응용

퀴리 온도 전자석은 고속 증식로의 수동 안전 시스템 작동 메커니즘으로 제안 및 시험되었으며, 작동 메커니즘이 재료의 퀴리 온도를 넘어 가열되면 제어봉이 원자로 코어로 떨어진다.^[54] 그 밖의 용도로는 납땜 인두의 온도 제어^[55]와 온도 변화에 대한 회전 속도계 발생기의 자기장 안정화가 있다.^[56]

6. 퀴리 온도의 조절

물질의 퀴리 온도는 외부 요인에 의해 변화될 수 있다.

압력: 결정 격자에 압력을 가하면 부피가 줄어들어 퀴리 온도에 변화가 생긴다. 압력은 입자의 운동 에너지에 영향을 주어 진동을 발생시키고, 이는 자기 모멘트의 질서를 방해하여 퀴리 온도를 낮추는 요인이 된다. 하지만 압력은 상태 밀도(DOS)에도 영향을 미치는데, DOS 감소는 전자 수 감소로 이어져 퀴리 온도가 낮아질 것으로 예상되지만, 실제로는 교환 상호작용 때문에 퀴리 온도가 증가한다. 교환 상호작용은 정렬된 평행 자기 모멘트를 선호하며, 부피 감소로 인해 퀴리 온도가 압력과 함께 증가하게 된다.
궤도 배열: 궤도 배열은 가해진 변형을 통해 제어할 수 있으며, 이는 물질 내부 전자의 파동 함수를 결정한다. 전자가 존재할 확률을 제어하면 퀴리 온도를 변경할 수 있는데, 예를 들어 비편재화된 전자는 결정 격자 내에서 가해진 변형에 의해 동일한 면으로 이동될 수 있다. 전자가 같은 면에 밀집되면 교환 상호작용으로 인해 자기 모멘트의 세기가 증가하여 저온에서 열적 무질서를 방지하므로 퀴리 온도가 크게 증가한다.

6. 1. 복합 재료

복합 재료는 서로 다른 특성을 가진 여러 재료로 구성되어 퀴리 온도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 은(silver)을 포함하는 복합 재료는 결합 과정에서 산소 분자를 위한 공간을 만들기 때문에 결정 격자가 치밀하지 않아 퀴리 온도가 낮아진다.^[44]

복합 재료 내 자기 모멘트의 배열은 퀴리 온도에 영향을 미친다. 재료의 모멘트가 서로 평행하면 퀴리 온도가 증가하고, 수직이면 배열을 파괴하는 데 더 많거나 적은 열 에너지가 필요하므로 퀴리 온도가 감소한다.^[44]

다른 온도에서 복합 재료를 제조하면 최종 조성이 달라져 퀴리 온도도 달라진다.^[45] 재료의 도핑 또한 퀴리 온도에 영향을 줄 수 있다.^[45]

나노복합재료의 밀도는 퀴리 온도를 변화시킨다. 나노 복합 재료는 나노 스케일의 치밀한 구조이다. 이 구조는 높고 낮은 벌크 퀴리 온도로 구성되지만, 하나의 평균장 퀴리 온도만을 갖는다. 더 낮은 벌크 온도의 밀도가 높으면 평균장 퀴리 온도가 낮아지고, 더 높은 벌크 온도의 밀도가 높으면 평균장 퀴리 온도가 상당히 증가한다. 2차원 이상에서는 자기 모멘트가 질서 있는 구조를 극복하는 데 더 많은 열 에너지가 필요하므로 퀴리 온도가 증가하기 시작한다.^[40]

6. 2. 입자 크기

물질의 결정 격자 내 입자 크기는 퀴리 온도에 영향을 준다. 입자 크기가 작아질수록 (나노입자) 전자 스핀의 요동이 더 두드러져 퀴리 온도가 감소한다. 이러한 요동은 무질서를 야기하기 때문이다. 입자 크기는 이방성에도 영향을 미쳐 정렬을 불안정하게 만들고, 이는 자기 모멘트의 무질서로 이어진다.^[36]^[46]

이 현상의 극단적인 예는 작은 강자성 입자에서만 나타나는 초상자성이다. 초상자성 상태에서는 요동이 매우 커 자기 모멘트가 무작위로 방향을 바꾸며 무질서를 일으킨다.

나노입자의 퀴리 온도는 결정 격자 구조에도 영향을 받는다. 체심입방(bcc), 면심입방(fcc), 육방(hcp) 구조는 각각 자기 모멘트가 인접한 전자 스핀에 반응하는 방식이 달라 서로 다른 퀴리 온도를 가진다. fcc와 hcp 구조는 더 조밀하여 자기 모멘트가 더 가까이 있을 때 강한 영향을 받으므로 bcc보다 퀴리 온도가 높다.^[36] 이는 구조에서 가장 가까운 이웃 입자의 수를 나타내는 배위수와 관련이 있다. 물질 표면은 벌크보다 배위수가 낮아, 온도가 퀴리 온도에 접근할 때 표면의 중요성이 감소한다. 그러나 더 작은 시스템에서는 표면의 배위수가 더 중요해져 자기 모멘트가 시스템에 더 큰 영향을 미친다.^[36]

입자의 요동은 미세하지만, 가장 가까운 이웃 입자와 상호작용하기 때문에 결정 격자 구조에 크게 의존한다. 요동은 또한 교환 상호 작용^[46]의 영향을 받는데, 평행한 자기 모멘트가 선호되어 방해와 무질서가 적기 때문이다. 따라서 더 조밀한 구조는 더 강한 자성과 더 높은 퀴리 온도로 이어진다.

6. 3. 압력

결정 격자에 압력을 가하면 계의 부피가 감소하면서 물질의 퀴리 온도에 변화가 생긴다. 압력은 입자의 운동 에너지에 직접적인 영향을 주는데, 입자 운동이 증가하면 진동이 발생하여 자기 모멘트의 질서를 방해한다. 이는 온도 상승과 유사하게 작용하여 자기 모멘트와 자성의 질서를 파괴한다.^[47]

압력은 상태 밀도(DOS)에도 영향을 미친다.^[47] DOS가 감소하면 계에 사용 가능한 전자 수가 줄어든다. 이는 전자 스핀에 의존하는 자기 모멘트 수 감소로 이어진다. 이 때문에 퀴리 온도가 감소할 것으로 예상되지만, 실제로는 증가한다. 이는 교환 상호작용의 결과이다. 교환 상호작용은 전자가 동시에 같은 공간을 차지할 수 없기 때문에^[17] 정렬된 평행 자기 모멘트를 선호하며, 부피 감소로 인해 이것이 증가함에 따라 퀴리 온도는 압력과 함께 증가한다. 퀴리 온도는 운동 에너지와 DOS에 대한 의존성의 조합으로 구성된다.^[47]

압력을 가할 때 입자의 농도도 퀴리 온도에 영향을 미치며, 농도가 특정 비율을 초과하면 퀴리 온도가 감소할 수 있다.^[47]

6. 4. 궤도 배열

궤도 배열은 물질의 퀴리 온도를 변화시킨다. 궤도 배열은 가해진 변형을 통해 제어할 수 있다.^[48] 이는 물질 내부의 단일 전자 또는 쌍을 이룬 전자의 파동을 결정하는 함수이다. 전자가 존재할 확률을 제어할 수 있으면 퀴리 온도를 변경할 수 있다. 예를 들어, 비편재화된 전자는 결정 격자 내에서 가해진 변형에 의해 동일한 면으로 이동될 수 있다.^[48]

전자가 같은 면에 밀집되어 있기 때문에 퀴리 온도는 크게 증가하는 것으로 나타난다. 이는 교환 상호작용으로 인해 정렬되도록 강제되므로 자기 모멘트의 세기가 증가하여 저온에서 열적 무질서를 방지한다.

참조

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