외부 자기장에 급격히 냉각되는 광물 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-07-02 09:14:50
4분 읽기
- 아타카마 사막에서 발견되는 광물인 아타카마이트.
- 아타카마이트의 특별한 점은 구리 이온의 배열. 이 때문에 녹색
- 좌절된 양자 자석은 압력이나 외부 자기장으로 고도로 축퇴된 기저 상태 형성
- 사막 광물인 아타카마이트는 이처럼 대규모 응용 분야에 적합하지 않을 가능성이 높다.
- 너무 희귀하고 채굴이 너무 복잡하기 때문. 그러나 새로운 냉각 방법 가능성 열어
더운 날씨에 음식, 방, 또는 차량을 냉각하기 위해 에어컨 및 냉장 시스템이 사용되었다. 이러한 시스템에서는 냉매의 증발과 팽창을 통해 냉각이 이루어진다. 그러나 이러한 냉각 시스템은 비효율적이고 소음이 많으며 많은 전력을 소비한다. 하지만 또 다른 방법이 있다. 압축기나 냉매 없이도 냉각 또는 가열할 수 있는 물질이 있다. 이러한 전기열량 또는 자기열량 물질은 전류나 자기장의 영향으로 온도가 변한다.
"톱니 사슬"을 가진 녹색 사막 결정
이러한 자기열량 물질 중 하나는 아타카마 사막에서 발견되는 광물인 아타카마이트다. 에메랄드빛 녹색 결정은 원자 격자 내 구리 이온 때문에 색을 띠는데, 이는 광물에 특별한 자기적 특성을 부여한다. 구리 이온의 짝을 이루지 않은 스핀은 작은 나침반 바늘처럼 반응한다. 그러나 아타카마이트의 경우, 스핀들이 자유롭게 정렬될 수 없도록 배열되어 있다.
"아타카마이트의 특별한 점은 구리 이온의 배열이다"고 율리히 중성자 과학 센터(JCNS)의 주저자 레오니 하인체는 설명했다. "아타카마이트는 작고 상호 연결된 삼각형들이 긴 사슬을 형성하는데, 이를 톱니 사슬이라고 한다." 이 삼각형 배열은 구리 이온의 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬되는 것을 방지한다. 구리 이온은 이를 에너지적으로 가장 유리한 상태로 여기기 위해 노력한다. "이 경우, 자기적 좌절(magnetic frustration)이라고 부른다"고 하인츠는 말했다.
자기장 속의 "좌절된" 스핀
바로 이 부분에서 하인츠와 그녀의 팀이 개입했다. 연구에 따르면 이러한 자기적 "좌절된" 물질은 새로운 냉각제의 후보가 될 수 있다. 물리학자들은 "좌절된 양자 자석은 압력이나 외부 자기장에 의해 조작될 수 있는 고도로 축퇴된 기저 상태를 형성한다"고 설명했다. 구체적으로, 이러한 물질을 강한 자기장에 노출시키면 결정에 측정 가능한 온도 변화가 발생할 수 있다. 즉, 자기열량 반응을 보인다.
하인츠와 그녀의 동료들은 이러한 현상이 아타카마이트에서도 나타나는지, 그리고 그 효과가 얼마나 강한지 조사했으며, 놀라운 결과를 얻었다. 이 사막 광물을 22테슬라의 강한 펄스 자기장에 노출시켰을 때, 예상치 못하게 강한 냉각 현상이 나타났다. 온도가 거의 절반으로 떨어졌다. 연구진이 설명했듯이, 이는 자기열량 물질에 대해서도 매우 높은 수치다.
더 많은 자기적 질서 대신 더 적은 자기적 질서
도대체 그 이면에 무엇이 있을까? 추가 분석을 통해 초기 증거가 제시되었다. 드레스덴 고자기장 연구소의 공동 저자인 토미 코테는 "핵자기공명분광법을 사용하여, 인가된 자기장이 아타카마이트의 자기적 질서를 교란시킨다는 것을 명확하게 입증할 수 있었다"고 설명했다. "자기적으로 교란된 많은 물질에서 자기장은 일반적으로 교란을 상쇄하고 심지어 질서 있는 자기 상태를 촉진하기 때문에 이는 드문 현상이다.“
물리학자들은 아타카마이트의 구조와 자기적 영향에 대한 스핀의 반응을 재구성하는 수치 시뮬레이션을 통해 아타카마이트가 다르게 거동하는 이유를 발견했다. 이를 통해 자기장이 톱니 사슬 끝부분의 구리 이온 스핀을 실제로 교란시켜 예상대로 교란을 감소시킨다는 것을 밝혔다. "하지만 이러한 스핀은 사슬 간의 3차원적 결합을 매개하기 때문에, 외부 자기장과의 정렬은 이러한 결합을 깨뜨린다"고 하인체와 동료들은 설명했다.
엔트로피 보상으로서의 온도 강하
이는 아타카마이트의 개별 구리 이온 사슬이 스핀을 통해 이웃 사슬과 더 이상 연결되지 않기 때문에 장거리 자기 질서가 더 존재할 수 없음을 의미한다. 물리학자들이 설명하듯이, 이는 광물의 자기 엔트로피를 변화시키고, 따라서 에너지 균형도 변화시킨다. 이러한 엔트로피 변화를 보상하기 위해 재료는 그에 따라 온도를 조절해야 한다.
이 반응은 아타카마이트의 놀랍도록 강력한 자기열량 효과를 설명한다. 자기열량 효과는 자기장이 시스템의 자기 엔트로피에 영향을 미칠 때 발생한다. 연구진은 바로 이 메커니즘을 아타카마이트에서 최초로 직접 입증했다. 코테는 "우리가 조사한 물리적 메커니즘은 근본적으로 새로운 것이며, 관찰된 자기열량 효과는 놀라울 정도로 강력하다"고 말했다.
새로운 냉각 방법의 가능성
연구진에 따르면, 이러한 발견은 효율적인 냉각을 위한 새로운 전략 개발에 도움이 될 수 있다. 자기열량 냉각제는 압축기나 냉매의 팽창을 필요로 하지 않는다. 자기장만으로도 온도를 낮추기에 충분하다. 사막 광물인 아타카마이트는 이처럼 대규모 응용 분야에 적합하지 않을 가능성이 높다. 너무 희귀하고 채굴이 너무 복잡하기 때문이다.
하지만 이 사막 광물의 냉각 반응 메커니즘을 해독하는 것은 유사한 구조와 반응을 가진 다른 물질을 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 물리학자들은 "이번 발견은 냉각 응용 분야에서 좌절된 양자 자석의 잠재력을 강조한다"고 설명했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.216701
출처: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
- 아타카마 사막에서 발견되는 광물인 아타카마이트.
- 아타카마이트의 특별한 점은 구리 이온의 배열. 이 때문에 녹색
- 좌절된 양자 자석은 압력이나 외부 자기장으로 고도로 축퇴된 기저 상태 형성
- 사막 광물인 아타카마이트는 이처럼 대규모 응용 분야에 적합하지 않을 가능성이 높다.
- 너무 희귀하고 채굴이 너무 복잡하기 때문. 그러나 새로운 냉각 방법 가능성 열어
이 결정은 냉각할 수 있다.
사막 광물인 아타카마이트는 자석의 영향으로 온도가 변한다.
냉매 없이 냉각:
아타카마 사막에서 발견된 한 광물은 강한 자기장에 특이한 반응을 보인다. 물리학자들이 발견한 것처럼, 이 광물은 자석의 영향으로 급격히 냉각된다. 아타카마이트의 이러한 자기열량 효과의 이면에는 결정 격자의 특수한 구조가 있다. 연구진은 "Physical Review Letters"에 이러한 "톱니 모양의 사슬"을 가진 물질이 완전히 새로운 냉각 방식을 가능하게 할 수 있다고 보고했다.
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| ▲ 특수한 격자 구조 덕분에 녹색 사막 광물인 아타카마이트는 외부 자기장에 반응하여 매우 강한 냉각 효과를 보인다. 이는 자기열량 냉각에 대한 새로운 가능성을 열어줄 수 있다. © B. Schröder/ HZDR |
더운 날씨에 음식, 방, 또는 차량을 냉각하기 위해 에어컨 및 냉장 시스템이 사용되었다. 이러한 시스템에서는 냉매의 증발과 팽창을 통해 냉각이 이루어진다. 그러나 이러한 냉각 시스템은 비효율적이고 소음이 많으며 많은 전력을 소비한다. 하지만 또 다른 방법이 있다. 압축기나 냉매 없이도 냉각 또는 가열할 수 있는 물질이 있다. 이러한 전기열량 또는 자기열량 물질은 전류나 자기장의 영향으로 온도가 변한다.
"톱니 사슬"을 가진 녹색 사막 결정
이러한 자기열량 물질 중 하나는 아타카마 사막에서 발견되는 광물인 아타카마이트다. 에메랄드빛 녹색 결정은 원자 격자 내 구리 이온 때문에 색을 띠는데, 이는 광물에 특별한 자기적 특성을 부여한다. 구리 이온의 짝을 이루지 않은 스핀은 작은 나침반 바늘처럼 반응한다. 그러나 아타카마이트의 경우, 스핀들이 자유롭게 정렬될 수 없도록 배열되어 있다.
"아타카마이트의 특별한 점은 구리 이온의 배열이다"고 율리히 중성자 과학 센터(JCNS)의 주저자 레오니 하인체는 설명했다. "아타카마이트는 작고 상호 연결된 삼각형들이 긴 사슬을 형성하는데, 이를 톱니 사슬이라고 한다." 이 삼각형 배열은 구리 이온의 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬되는 것을 방지한다. 구리 이온은 이를 에너지적으로 가장 유리한 상태로 여기기 위해 노력한다. "이 경우, 자기적 좌절(magnetic frustration)이라고 부른다"고 하인츠는 말했다.
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| ▲ 아타카마이트(Cu2Cl(OH)3) 광물은 구리 함유 옥시할로겐화물에 속하며, 강렬한 녹색을 특징으로 한다. © Manfred Mader/ Public Domain |
자기장 속의 "좌절된" 스핀
바로 이 부분에서 하인츠와 그녀의 팀이 개입했다. 연구에 따르면 이러한 자기적 "좌절된" 물질은 새로운 냉각제의 후보가 될 수 있다. 물리학자들은 "좌절된 양자 자석은 압력이나 외부 자기장에 의해 조작될 수 있는 고도로 축퇴된 기저 상태를 형성한다"고 설명했다. 구체적으로, 이러한 물질을 강한 자기장에 노출시키면 결정에 측정 가능한 온도 변화가 발생할 수 있다. 즉, 자기열량 반응을 보인다.
하인츠와 그녀의 동료들은 이러한 현상이 아타카마이트에서도 나타나는지, 그리고 그 효과가 얼마나 강한지 조사했으며, 놀라운 결과를 얻었다. 이 사막 광물을 22테슬라의 강한 펄스 자기장에 노출시켰을 때, 예상치 못하게 강한 냉각 현상이 나타났다. 온도가 거의 절반으로 떨어졌다. 연구진이 설명했듯이, 이는 자기열량 물질에 대해서도 매우 높은 수치다.
더 많은 자기적 질서 대신 더 적은 자기적 질서
도대체 그 이면에 무엇이 있을까? 추가 분석을 통해 초기 증거가 제시되었다. 드레스덴 고자기장 연구소의 공동 저자인 토미 코테는 "핵자기공명분광법을 사용하여, 인가된 자기장이 아타카마이트의 자기적 질서를 교란시킨다는 것을 명확하게 입증할 수 있었다"고 설명했다. "자기적으로 교란된 많은 물질에서 자기장은 일반적으로 교란을 상쇄하고 심지어 질서 있는 자기 상태를 촉진하기 때문에 이는 드문 현상이다.“
물리학자들은 아타카마이트의 구조와 자기적 영향에 대한 스핀의 반응을 재구성하는 수치 시뮬레이션을 통해 아타카마이트가 다르게 거동하는 이유를 발견했다. 이를 통해 자기장이 톱니 사슬 끝부분의 구리 이온 스핀을 실제로 교란시켜 예상대로 교란을 감소시킨다는 것을 밝혔다. "하지만 이러한 스핀은 사슬 간의 3차원적 결합을 매개하기 때문에, 외부 자기장과의 정렬은 이러한 결합을 깨뜨린다"고 하인체와 동료들은 설명했다.
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| ▲ 아타카마이트 결정 내 구리 이온의 톱니 모양 구조. © Heinze et al./ Physical Review Letters, CC-by 4.0 |
엔트로피 보상으로서의 온도 강하
이는 아타카마이트의 개별 구리 이온 사슬이 스핀을 통해 이웃 사슬과 더 이상 연결되지 않기 때문에 장거리 자기 질서가 더 존재할 수 없음을 의미한다. 물리학자들이 설명하듯이, 이는 광물의 자기 엔트로피를 변화시키고, 따라서 에너지 균형도 변화시킨다. 이러한 엔트로피 변화를 보상하기 위해 재료는 그에 따라 온도를 조절해야 한다.
이 반응은 아타카마이트의 놀랍도록 강력한 자기열량 효과를 설명한다. 자기열량 효과는 자기장이 시스템의 자기 엔트로피에 영향을 미칠 때 발생한다. 연구진은 바로 이 메커니즘을 아타카마이트에서 최초로 직접 입증했다. 코테는 "우리가 조사한 물리적 메커니즘은 근본적으로 새로운 것이며, 관찰된 자기열량 효과는 놀라울 정도로 강력하다"고 말했다.
새로운 냉각 방법의 가능성
연구진에 따르면, 이러한 발견은 효율적인 냉각을 위한 새로운 전략 개발에 도움이 될 수 있다. 자기열량 냉각제는 압축기나 냉매의 팽창을 필요로 하지 않는다. 자기장만으로도 온도를 낮추기에 충분하다. 사막 광물인 아타카마이트는 이처럼 대규모 응용 분야에 적합하지 않을 가능성이 높다. 너무 희귀하고 채굴이 너무 복잡하기 때문이다.
하지만 이 사막 광물의 냉각 반응 메커니즘을 해독하는 것은 유사한 구조와 반응을 가진 다른 물질을 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 물리학자들은 "이번 발견은 냉각 응용 분야에서 좌절된 양자 자석의 잠재력을 강조한다"고 설명했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.216701
출처: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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