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자기장의 강도를 높이면 홀뮴 원자는 양자 상태를 변화시키고 자기 모멘트를 형성. 이것은 크리스탈의 내부 대칭을 깨뜨린다. 결정적인 것은 자기장 강도가 아니라 방향.
새로운 스토리지 기술을 위한 기회.

새로운 전자기 효과 발견 “자기장 방향이 재료의 전기적 특성을 바꾼다”

특정 결정의 전기적 및 자기적 특성은 매우 특이한 방식으로 연결돼 있다.
이 현상을 비인 공대에서(Vienna University of Technology)에서 발견하고 설명했다.

전기와 자기는 밀접한 관련이 있다. 전력선은 자기장을 생성하고 발전기의 회전 자석은 전기를 생성한다. 그러나 훨씬 더 복잡한 것은 특정 물질의 전기적 및 자기적 특성이 서로 결합되는 현상이다. 일부 결정의 전기적 특성은 자기장의 영향을 받을 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지다. 이 경우 "전자기 효과"라고 한다. 예를 들어 특정 센서 또는 데이터 저장에 대한 새로운 개념의 중요한 기술적 역할을 한다.

최근 비엔나 공과 대학에서 특수 물질을 조사하고 있는데, 언뜻 보기에는 실제로 자기 전기 효과가 전혀 없다. 그러나 세심한 실험 결과 이 효과는 평소와는 완전히 다르게 작동한다.
이것이 바로 매우 민감한 방식으로 제어할 수 있는 이유다. 자기장 방향의 작은 변화라도 재료의 전기적 특성을 완전히 다른 상태로 변경할 수 있다.

대칭에 관한 모든 것

“크리스탈 결정의 전기적 및 자기적 특성이 서로 결합되는지 여부는 내부 대칭성에 달려 있다”고 Vienna University of Technology 고체 물리학 연구소의 안드레이 피메노프(Andrei Pimenov) 교수는 말한다. "예를 들어 크리스탈의 한 면이 다른 면의 거울상과 정확히 일치하는 경우와 같이 크리스탈이 높은 수준의 대칭성을 갖는다면 이론적인 이유로 자기 전기 효과가 없을 수 있다."

피상적인 관점에서 볼 때, 이것은 TU Wien에서 신중하게 조사된 크리스탈에서 기대할 수 있다. 란타늄, 갈륨, 실리콘 및 산소로 만든 소위 랑가사이트(Langasite, 때로 논문에서LGS로 표기한다, 편집자 주)이며 추가적으로 내장된 홀뮴 원자가 있다.

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“결정 구조는 대칭적이어서 실제로 자기 전기 효과를 허용해서는 안된다. 그리고 약한 자기장의 경우 크리스탈의 전기적 특성과 어떠한 결합도 실제로 발견되지 않는다”고 Andrei Pimenov는 말했다.
“그러나 자기장의 강도를 높이면 놀라운 일이 일어난다. 홀뮴 원자는 양자 상태를 변화시키고 자기 모멘트를 형성한다. 이것은 크리스탈의 내부 대칭을 깨뜨린다.”

▲ 홀뮴 Ultra pure Holmium https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Holmium2.jpg

순전히 기하학적인 관점에서 볼 때 결정은 여전히 ​​대칭이지만 원자의 자기도 고려해야 하며 이는 대칭을 파괴한다. 따라서 크리스탈의 전기적 편광은 이제 자기장과 함께 변경될 수 있다.
"결정의 양전하와 음전하가 서로에 대해 약간 이동될 때 분극에 관한 것이다"고 Pimenov는 설명한다. "이것은 전기장으로 쉽게 달성 할 수 있지만 전자기 효과 덕분에 자기장에서도 가능하다."

결정적인 것은 : 강도가 아니라 자기장의 방향

자기장이 강할수록 전기 분극에 대한 영향이 더 강하다.
"분극과 자기장 강도 사이의 관계는 거의 선형적이며 이는 드문 일이 아니다"고 Andrei Pimenov는 말했다. “놀라운 것은 분극과 자기장의 방향 사이의 관계가 강하게 비선형이라는 것이다. 자기장의 방향을 조금 돌리면 편광이 완전히 뒤집힐 수 있다. 이것은 이전에 알려지지 않았던 새로운 형태의 자기 전기 효과다.”
간단하고 작은 회전은 자기장이 크리스탈의 전기적 분극을 변경할 수 있는지 여부를 결정한다.

▲ 크리스탈의 전기적 편광은 이제 자기장과 함께 변경될 수 있다.

새로운 스토리지 기술을 위한 기회

Andrei Pimenov는 "전자기 효과는 다양한 기술 응용 분야에서 점점 더 중요한 역할을 할 것"이라고 확신한다. “다음 단계에서 우리는 자기장으로 전기적 특성을 변경하는 것이 아니라 전기장으로 자기적 특성을 변경하려고 한다."

이것이 성공한다면 솔리드에 데이터를 저장하는 유망한 새로운 방법이 될 것이다.
“오늘날 컴퓨터 하드 드라이브와 같은 자기 저장 매체에는 자기장이 필요하다”고 Pimenov는 설명했다. “그들은 상대적으로 많은 양의 에너지와 시간이 필요한 자기 코일로 생성된다. 전기장으로 고체 메모리의 자기 특성을 전환하는 직접적인 방법이 있다면 그것은 돌파구가 될 것이다.”
(Npj Quantum Materials, 2020; doi : 10.1038 / s41535-020-00263-9)

Originalpublikation:
L. Weymann et al., Unusual magnetoelectric effect in paramagnetic rare-earth langasite, npj Quantum Materials volume 5, Article number: 61 (2020).
출처 : Vienna University of Technology

[더사이언스플러스] "No Science, No Future" 

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