자성이란?

교환바이어스(exchange bias)를 설명하기 전에 우선은 자성에 대해 간단하게 살펴봅시다. 자성을 이해하려면 원자 단위부터 들어가야 합니다. 원자내엔 핵과 전자가 있습니다. 여기서 전자는 핵의 인력에 묶여 핵 주위를 공전하고 있습니다. 전자는 아시다시피 (-) 전하를 갖고 있습니다. 이러한 전하의 이동은 전류를 만들어냅니다. 따라서 전기와 자기는 같이 묶어서 생각할 수 있습니다. 이 말은 전기가 흐르면 그 주위에는 자력이 발생하고 자석이 움직이면 그 안에는 전기가 흐르게 됩니다. 어쨋든 핵에 묶여 있는 전자는 공전운동을 하기때문에 원형 전류에 의한 궤도 자기 모멘트가 생겨납니다. 또 전자자체가 자전 운동을 하고 있습니다. 마치 지구가 태양 주위를 공전하면서 자전을 하고 있는 모습이지요. 이러한 자전에 의한 스핀 자기 모멘트도 생겨납니다. 스핀 자기 모멘트와 궤도 자기 모멘트 때문에 원자 하나는 자기 모멘트를 갖습니다. 간단히 말하면 원자 하나하나가 하나의 자석입니다. 이것은 철같이 자석에 붙는 물질의 원자만이 아니라 모든 물질의 원자는 개개의 원자모멘트를 가지고 있습니다. 자, 그럼 여기서 질문이 하나 떠오르지요? 그럼 왜 자석에 붙는 물질이 있고 붙지않는 물질이 있을까요? 자석에 들러붙지 않는 물질은 각 원자 자기 모멘트의 총 합이 0입니다. 아니 정확히 말하면 영구자석을 빼고 철같이 자석에 달라붙는 물질도 평소엔 자기 모멘트 합이 0입니다. 합이 0이란 말은 원자가 가진 스핀들이 자기멋대로의 방향으로 즉, random하게 배열하고 있다는 뜻입니다. 다만 자석에 달라붙는 물질들은 평소엔 random하게 스핀들이 배열하고 있다가 주위에 자장(magnetic field)이 가해지면 스핀들이 한 방향으로 배열하기 시작합니다. 바로 자기장과 같은 방향으로 말입니다. 그렇다고 한번에 "착"하고 배열하는 것은 아니고 자기장의 세기에 따라 틀리고 물질에 따라 틀립니다. 그리고 자석에 붙지않는 물질들은 여러 형태가 있습니다만 대부분 자기장의 방향과 반대방향으로, 하지만 아주 아주 약한 모멘트를 가지고 배열을 합니다. 그 크기는 자기장 크기의 백만분의 1 정도로 작지요. 그래서 모든 원자가 자기 모멘트를 가지고 있습니다만 자석에 붙지 않는 물질이 있는 것은 대부분이 음의 자화값을 가지기 때문이죠. 여기서 기억해 둘 것은 자석에 붙는 물질들, 일반적으로 강자성체, 페리자성체, 상자성체등이 있지만 앞으로 자석에 붙는 물질이라 하면 간단히 강자성체를 지칭하는 말로 사용하겠습니다. 강자성체는 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 스핀들(원자 자기 모멘트)이 회전을 시작하다가 자기장이 임계값이 되면 하나의 스핀형태가 됩니다. 이때 우리는 "포화(saturation)"되었다라고 말합니다. 여기에는 같은 방향을 가진 스핀들의 구역인 자구(domain)가 존재하지만 넘어가겠습니다. 또하나, 교환바이어스 현상을 설명하기 위해 필요한 자성체인 반강자성체에 대해서 설명하겠습니다. 반강자성체는 강자성체와 같이 자기장이 가해지면 스핀들이 일렬로 배열하지만 그 일렬이란 것이 한층이 오른쪽이면 그 아래층은 왼쪽으로 또 그 밑에 있는 층은 오른쪽으로, 다시 말하면 층간에 반평행하게 배열이 됩니다. 강자성체와 반강자성체가 서로 다른 스핀 배열을 하는 이유는 양자역학적으로 하이젠베르그의 교환력에 의해 설명이 됩니다. 이것은 원자내에서도 전자와 다른 전자, 전자와 핵간의 상호 교환작용에 의한 교환적분으로 교환 상수 J의 값이 (+)가 되는가, (-)가 되는가에 따라서 스핀이 서로 평행, 또는 반평행 되는가가 결정이 됩니다. 결국 스핀 배열에 의한 에너지가 낮은 쪽으로 결정이 되고 R/R3d (R:원자반경, R3d: 3d궤도 반경) 값에 의해 예측이 됩니다. 대표적으로 원자번호 상으로 서로 붙어있는 Mn(망간), Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈)의 경우 Mn은 반강자성, 나머지 원소는 강자성을 나타냅니다. 또 Gd, Tb, Dy, Ho, Tm같은 원소와 Fe, Co, Ni, Mn등을 포함한 합금이나 산화물등은 강자성을 띄고 FeMn, IrMn, PtMn, FePtMn, NiO, CoO 같은 여러 물질등은 반강자성을 나타냅니다. 이런 강자성체와 반강자성체의 공통점은 일정온도 이상이 되면 상자성체로 바뀐다는 점입니다. 이것은 물질내 격자의 열운동에 의해 스핀 배열이 흐트러지면서 발생합니다. 따라서 온도가 올라가면 영구자석도 자석으로써 쓸모가 없어집니다. 이러한 자력을 잃는 온도(큐리 온도, 반강자성체의 경우 닐온도)는 물질마다 다르기 때문에 고온에서 자력이 필요한 경우는 일반적인 자석이 아닌 특별한 자석이나 전자석을 쓰게 되지요. 쉽게 설명하려고 했는데 잘 이해가 되었는지 모르겠습니다.

 

[출처] 자성이란?|작성자 키튼