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고체 산소의 새로운 상

전문가 제언: 설탕, 얼음, 산소와 같은 분자 결정은 반데르발스의 힘에 의해 합쳐진 분자로 구성된다. 결정화하면 분자 간 상호작용의 특성에 따라 다른 구조를 형성한다. 여러 단순한 분자 중에서 고체분자산소 (O2)는 유일하게 스핀양자수 S=1의 자기모멘트를 갖는다. 자기 상호작용과 결정구조 사이의 복잡한 관계에서 이 결과는 고체산소를 유일한 스핀제어 시스템의 사례로 여겨지고 오랫동안 많은 과학자들의 관심을 끌었다. Matsuda 등은 120～193T의 비상하게 강한 자기장을 가하여 도달할 수 있는 새로운 고체 O2 상의 발견을 발표하였다. 실험은 이것이 자기전이와 구조전이 모두 반강자성상이 붕괴되고 결정대칭이 변하는 일차전이의 결과라는 것을 보여준다. 이 발견은 산소의 상그림에 새로운 차원을 더하며 스핀과 격자가 고체 내에서 어떻게 강하게 결합하는가를 실증하는 열쇠이다.

분자결정은 분자 간 상호작용의 미묘한 균형 때문에 여러 가지 흥미로운 구조를 보인다. 얼음의 경우, 수소결합이 분자결정 중에서 유일한 저밀도 구조를 결정한다. Faraday가 1848년에 O2의 자성을 발견한 이래로 산소는 특이한 분자자석으로 활발히 연구되었다. 이 자성이 교환 상호작용을 통해 중요한 역할을 하며 고체상에서 현상학을 선도한다. 대기압에서 온도를 내림에 따라 결정구조와 자기적 성질이 다fms 세 가지 상(α, β, γ)이 나타난다. 압력을 가하면 δ(5.5㎬), ε(8㎬), ζ(96㎬) 상이 더 나타난다. 후자는 금속상이며 0.6K에서 초전도성이 된다. 일곱 번째 상(η)이 고압(16~20㎬), 고온(500~1000K)에서 관찰되었다. 하지만 많은 연구에고 불구하고 자기 상호작용이 서로 다른 고체 O2 상에서 필수적인지는 아직 잘 확립되지 않았다.

저자: Susumu Kitagawa
자료유형: 연구단신