[응집물질물리학] 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy)의 자성 상전이(설명 있음)

마침 학교에 액체질소가 도착하여 해보고싶던 자성 상전이 실험을 드디어 해 보았습니다. 어떻게 하면 아이들에게 양자현상을 눈으로 직접 볼 수 있게 만등까 고민하다가 생각해낸 실험이네요.

각각 원자번호 64, 65, 66번인 가돌리늄(Gd), 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy)은 모두 상온에서 상자성(paramagnetism)을 띠는 희토류 원소로, 4f오비탈에 홀전자를 가지고 있습니다. 상온에서 상자성체이기에 자기장에 약하게 끌리거나 거의 끌리지 않습니다. 영상에서 사용한 자석은 AlNiCo(알니코) 자석으로, 상자성체는 약하게 당기거나 거의 당기지 않습니다. 하지만 상자성체가 특정 온도 이하로 내려가면 물질을 이루는 각운동량(J=L+S, 일반적으로 오비탈에 의한 각운동량은 자성에 영향을 거의 끼치지 않는다고 알려져있지만, 란타넘족은 전이금속과 달리 오비탈에 의한 자성의 영향이 강하게 나타납니다.)이 자발적으로 배열하여 강자성체(ferromagnetism)로 상전이하여 외부 자기장에 매우 강하게 끌리게 됩니다. 이 온도를 이 현상을 처음 발견한 피에르 퀴리(Pierre Curie)의 이름을 따 퀴리 온도(Curie Temperature)라고 합니다.

Gd, Tb, Dy의 퀴리 온도는 각각 19 ℃, -54 ℃, -185.2 ℃이기에 액체질소에 넣으면 모두 강자성체로 상전이합니다. 영상을 보면 다시 공기중에 두었을때 온도가 올라가서 자석에서 떨어지는 현상이 나타납니다. 이는 반대로 퀴리 온도보다 높아져 강자성체에서 상자성체로 상전이하는 현상입니다. 물이 얼음이 되거나, 그 반대로 얼음이 물이 되는 변화와 물리적으로 동일합니다. 이렇게 상자성체가 강자성체가 되거나, 반대로 강자성체가 상자성체로 변하는 현상을 자성 상전이(Magnetic phase transition)라고 합니다. 자성 상전이는 양자역학적 효과가 거시적으로 나타나는 대표적인 현상 중 하나입니다.

흔히 원소와 화합물, 물질의 성질이라고 하면 화학을 떠올리고 물리학은 주로 힘과 운동을 떠올리지만, 사실은 현대물리학에서 가장 활발하게 연구하는 주제가 물질의 구조와 성질입니다. Gd, Tb, Dy를 비롯한 란타넘족 원소들은 현대물리학, 특히 응집물질물리학에서 큰 역할을 하고 있습니다. 디스프로슘은 네오디뮴 자석에 첨가하여 자석의 열에 대한 내성을 높이는데 쓰고, 가돌리늄은 외부 자기장을 제거했을때 주위의 에너지를 흡수하여 온도을 낮추는 자기냉동 효과를 냅니다. 외에도 사마륨, 유로퓸, 홀뮴, 어븀 등등까지 원자 하나의 자기모멘트가 매우 크기에 스핀트로닉스나 양자컴퓨터 소자의 재료로도 쓰입니다.

타임스탬프
0:00 상자성 확인
0:23 액체질소 투입
0:34 가돌리늄(Gd)
0:45 터븀(Tb)
1:19 디스프로슘(Dy)

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