| 복합다체계인 전이금속 산화물과 희토류 화합물계는 센터설립 이전 수십년 동안 응집물질 물리학계에서 지대한 관심을 끌어왔던 전자간 상관관계 연구의 핵심적인 위치에 있으며, 이 물질들의 물성을 이해하는 것은 상관효과를 나타내는 다른 물리계의 이해에 결정적인 기여를 할 것이다. 센터는 3d 전이원소 산화물과 4f, 5f 희토류 화합물을 중심으로 복합다체계 물질의 우수한 단결정 성장 등의 신물질 탐색 연구, 전자구조 분석 등의 분광 특성 연구, 그리고 이론 연구를 중점적으로 연구를 수행한다. 제 1단계 연구기간(3년) 동안 전이금속 산화물 및 희토류 화합물에서 주요 이슈가 되고 있는 자성 박막, 거대자기저항 망간 산화물, 무거운 페르미온계, 강한 상관관계에 의한 금속 - 비금속 전이 현상 등에 대한 우수한 연구성과를 얻는 동시에, 세계적인 선도 연구 수행을 위한 기반조성의 일환으로 포항가속기에 마이크로 - 스폿 광전자 분광 장비 등 첨단 장비 확보를 위해 노력하고 있다. 센터의 목표 연구센터는 복합다체계의 물성연구분야에서 인정받는 연구의 중심지가 됨과 동시에 실용적인 응용을 위한 기초연구를 수행함을 목표로 한다. 이를 위하여 복합다체계 물성연구에 필요한 새로운 분광실험 기법을 개발하고, 우수한 단결정 시료를 성장시키며, 나아가 연구를 선도할 수 있는 새로운 성질의 신물질과 인공구조물 창출을 시도하고, 궁극적으로는 복합다체계 물성 이해에 대한 새로운 패러다임을 제시하고자 한다.연구 분야 복합다체계인 전이금속 산화물과 희토류 화합물계는 수십년 동안 응집물질 물리학계에서 지대한 관심을 끌어왔던 전자간 상관관계 연구의 핵심적인 위치에 있으며, 이 물질들의 물성을 이해하는 것은 상관효과를 나타내는 다른 물리계의 이해에 결정적인 기여를 할 것으로 기대된다. 한편, 기존 금속산화물은 기억 소자, 자기기록매체, 정보통신소자, 가스 센서, 광도파로, 그리고 비선형 광학물질 등으로 널리 활용되고 있다. 전이금속 산화물의 성장과 가공에 대한 조직적인 연구는 이러한 응용을 획기적으로 발전시켜, 21세기의 신소재로 자리잡는 데에 기여할 것이다. 센터의 연구분야는 신물질의 제조와 물성 분석, 그리고 이론적 해석 등 3개분야로 구성되었으며, 그 주요 연구내용은 다음과 같다.(1) 복합다체계 신물질 탐색 연구 ㆍ세계적으로 관심의 초점이 되는 복합다체계 물질의 우수한 단결정 성장. ㆍ복합다체계 물질의 원자조작 장비와 성장 기술의 기반조성. ㆍ새로운 복합다체계 물질의 단결정 및 박막의 성장 및 특성 연구. ㆍ복합다체계 인공 초격자 및 복합구조 제작 기술개발에 대한 기초연구. (2) 복합다체계 분광 특성 연구 ㆍ고분해능 광전자분광법을 이용한 고온초전도체와 초거대자기저항 물질의 전 자구조 연구. ㆍ광학특성 측정과 중성자, X선 산란 방법을 이용한 전하 및 전자궤도의 정렬 현상 연구. ㆍ초고속 분광법을 이용한 포논과 들뜬 전자의 전기동역학 측정. ㆍ미세반점(micro - spot) 초고분해능 전자분광학 연구. (3) 복합다체계 이론 연구 ㆍ구리산화물 고온초전도 메카니즘의 연구. ㆍ강한 상관관계 물질의 물성연구를 위한 비섭동적 양자다체이론 개발. ㆍ전자구조이론과 양자다체론을 결합한 실제 물질의 물성연구. ㆍ변분적 섭동이론을 이용한 복합다체계 물성연구. 연구 성과 (1) 변형(Strain)이 SrTiO3 박막의 유전상수에 미치는 영향에 대한 연구이 연구에서는 Au/SrTiO3/SrRuO3와 Au/SrTiO3/CaRuO3의 헤테로구조(heterostructure)를 LaAlO3와 SrTiO3 기판 위에 에피텍셜하게 성장시킨 후, Au로부터 아래 전극인 루테늄산염(Ruthenate) 방향으로 일정하게 dc 전기장을 걸어 평행 축전지의 유전상수의 변화를 77K에서 측정하였다. 측정결과는 Au/SrTiO3/SrRuO3의 경우에 Au/SrTiO3/CaRuO3 의 경우보다 유전상수의 변화가 훨씬 적은 것으로 나타났다. X선회절계로 측정한 결과에서 Au/SrTiO3/SrRuO3 (Au/SrTiO3/CaRuO3) 구조의 SrTiO3은 각각 기판 방향으로는 인장응력(tensile stress)을 받고 있고 전기장 방향으로는 압축응력(compressive stress)을 받는 것으로 나타났다. 이 실험 결과는 SrTiO3 또는 (BaSr)TiO3 같은 페로브스카이트(perovskite) 구조에서 무른 포논모드가 전기장에 의하여 경화되기 때문에 유전상수가 감소한다는 이론적 예측과 일치하는 것으로, 전기장 방향으로 인장응력이 있는 경우에는 전기장에 의한 무른 포논모드의 변화가 쉽게 일어남으로써 동조가 잘 되는 반면에 전기장 방향으로 압축응력이 있는 경우에는 전기장에 의한 무른 포논모드의 변화가 일어나는 것이 어렵기 때문에 가변(tunability)이 감소함을 의미한다. (2) 도핑된 망간산화물에서 강자성질서에 의한 전하정렬온도의 감소에 관한 연구 이 연구에서는 스핀과 전하정렬 사이의 상관관계를 낮은 온도에서 절연체 - 반강자성 상을 보이는 물질에서 연구하였다. 이 실험을 위하여 Ca이 더 많이 치환된 (La1-xCax)MnO3 (0.53 ≤ x ≤ 0.70)의 직류 자화율과 자기화 곡선을 300K에서 4K까지 그리고 7 테슬라의 자기장을 사용하여 측정하였다. 이 연구결과에서 절연체 - 반강자성 상이라고 알려진 물질 (0.53 ≤ x ≤ 0.70)의 자기화 곡선이 보통 반강자성 또는 상자성 상에서 예측되는 곡선이 아니라 약간의 강자성 성분(Δm)을 가지고 있음을 발견하였다. Δm의 Ca 양 x에 대한 의존성으로부터 이 강자성 상은 Ca 양이 증가와 함께 급격하게 줄어듦을 발견하였다. 이 연구결과는 금속 - 강자성 물질에서 발견되는 짧은 거리 전하정렬상의 거울효과와 같이 전하정렬된 절연체 - 반강자성 물질에서 짧은 거리 강자성상이 존재함을 시사한다. (3) 희토류 화합물에서의 고분해능 공명 광전자 방출에 관한 연구 f전자를 가진 대표적인 희토류 화합물인 Ce 화합물은 강한상관관계 물질의 전자구조를 이해하기 위해 폭넓게 연구되어 왔다. 국소화된 4f 전자간의 쿨롱 상호작용과 4f - 전도전자간의 혼성 상호작용 효과를 고려한 앤더슨 불순물 모형의 예측과 정량적으로 일치하지 않는 실험 결과들이 제시되어 강한 상관관계를 보이는 Ce 화합물들의 전자구조 이해에 대한 논란이 제기되고 있다. 이 연구에서는 논란을 제기했던 실험들이 표면에 민감하였기 때문임을 감안하여 표면에 국한되지 않은 덩치(bulk)의 본질적 성질을 측정하기 위해, α 형의 Ce 화합물들인 CeNi2, CeNi5, CeFe2 등의 덩치에 민감한 4f 스펙트럼 무게를 일본 SPring - 8의 연 X선 빔라인에서 세계에서 가장 우수한 에너지 분해능(FWHM ~ 0.1 eV)으로 공명광전자분광법을 이용하여 얻었다. 공명스펙트럼은 페르미에너지 근처에서 에너지 분해능 정도의 날카로운 피크를 보이는데, 이는 페르미에너지 위에서의 콘도공명 피크의 페르미에너지 아래 부분으로 해석된다. 보다 덩치에 민감한 Ce의 3d - 4f 흡수단에서 공명광전자분광법으로 얻은 스펙트럼은 α 형의 Ce - 전이금속 화합물에 대한 다른 전자분광법 및 자기 감수율과 같은 저에너지 성질들과 일관성을 보인다. 또한, 가전자대에 걸친 전체 4f 스펙트럼 무게는 앤더슨 불순물 모형에 기반한 구나르손-쇤하머(Gunnarsson - Schonhammer) 계산으로 상당히 잘 맞출 수 있었다. |
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