<사진. 공진 주파수와 인가된 자장 간의 관계성을 보여주는 모식도
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

코발트 나노입자의 강자기 공진에 대한 새로운 연구결과

핀란드의 알토 대학(Aalto University)의 연구진은 코발트 나노입자의 강자기 공진에 대한 새로운 연구결과를 발표했다.

자기 입자들은 자연 속에서 풍부하게 존재한다. 고원 지역에서부터 심해 퇴적물까지 그들은 다양한 형태와 모양으로 발견되고 있다. 생물학적 분야와 정보 기술 분야에 자기 입자들을 적용하기 위해서는 이런 입자들이 특정 크기와 형상을 가질 필요가 있다. 그러나 현재, 과학자들은 자기 입자들이 포함된 복합 재료의 거시적인 특성들과 그들의 미시적인 특성들 간의 관계성을 분명하게 알지 못하고 있다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 코발트 나노입자 복합물의 강자기 공진을 체계적으로 조사한 새로운 연구결과를 발표했다.

이번 연구진은 광대역 마이크로파 측정 기술과 초전도성 양자 간섭 장치(superconducting quantum interference device, SQUID)의 자기 측정을 이용했다. 이번 연구진은 자장(magnetizing field)이 작을 때 강자기 공진 피크의 변칙적인 변화를 발견했다. 이것은 Landau, Lifshitz, Gilbert에 의해서 발견된 자기 공진의 고전 이론으로는 설명될 수 없었다.

이번 연구진은 SQUID와 투과 전자 현미경으로 마이크로파 측정과 미시적인 분석을 수행했다. 이번 연구진은 사슬과 초격자와 같은 응집 구조의 형상에 의해서 이런 변화가 생성되었다는 결론을 내렸다. 작은 범위일 경우에, 응집 형상과 입자 간 상호작용은 인가된 자장에 중요한 영향을 끼칠 수 있다. 이것은 비-상호작용 입자 모델에 의해서 예측되는 것 이상의 유한 값에서 공진의 포화를 불러올 수 있다.

이번 연구진은 마이크로파(1~12GHz) 주파수로 폴리스티렌 기질 속에 5 nm ~ 35 nm의 크기 범위를 가진 나노크기 코발트 결정을 삽입했고, 이것의 전자기 특성들을 조사했다. 이번 연구진은 투과 전자 현미경 이미징을 이용해서 샘플을 조사했고, 입자가 사슬과 클러스터 형태를 가진다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 1~12GHz의 주파수에서 투자율(magnetic permeability)을 측정할 수 있었고, 외부에서 인가된 자기장에 따른 강자기 공진의 변화를 조사했다. 이번 연구진은 제로-자기장(zero-magnetic field) 강자기 공진 피크가 더 높은 주파수로 이동하고, 복소 투자율(complex permeability)은 감소된다는 것을 발견했다.

2.5kOe보다 더 큰 자기장에서, 공진 주파수는 인가된 자기장에 따라 선형적으로 변하는데, 이것은 나노입자가 비-결합된 상태로 전이된다는 것을 의미한다. 클러스터 내부의 입자들은 상호작용하지 않고, 최대 위치는 Kittel의 FMR 이론으로 예측될 수 있다. 이와는 대조적으로, 낮은 자기장에서 이런 자기적 정렬은 부서지고 제로 자기장에서 공진 주파수는 포화값에 도달한다. 이 연구결과는 이런 복합체의 전자기 특성들이 외부 자기장과 응집 구조 속의 변화에 의해서 변화될 수 있다는 것을 보여준다.

물리학의 유효 이론(effective theories)에 따라서, 이번 연구진은 평균-장(mean-field) 수준의 간단한 설명을 제시했다. 이것은 재료의 특성평가를 위한 최소한도의 매개변수 설정을 할 수 있게 한다. 이런 관점에서, 이 연구결과는 입자 간에 제어된 격자를 가진 나노입자를 생성하는데 중요한 진전을 이룰 수 있을 것이라고 Sorin Paraoanu 박사가 설명했다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr