오비탈-격자구조의 상호작용을 40여년만에 실험적 증명물리학과 지성대 박사(지도교수 이기봉)의 논문이 물리학 분야 최고 권위의 저널인 ‘Physical Review Letters’ 지난달 17일자에 발표되었다.

최근 들어 강상관계 물질의 물성에 관한 연구는 미시적인 관점에서 물질의 특성을 나타내는 스핀, 오비탈, 격자구조의 상호작용에 초점이 맞추어져 왔다. 물질의 구조 변이의 원인이 되는 오비탈-격자구조의 상호작용 및 관계(Quadrup ole-Strain Interaction)는 1960년대부터 상호 비례한다는 이론이 제안되어 왔다. 그러나 실험적 증거가 미비한 채로 관련된 실험결과 분석에 원용되어 왔는데, 이번에 DyB4 단결정 시료를 사용한 실험을 통해 이 현상을 세계 최초로 증명할 수 있었다.

연구팀은 희토류(Rare-Earth) 금속 화합물의 하나인 DyB4가 영하 260.7도 이하에서 정방(Cubic) 결정에서 단사(Monoclinic) 결정으로 변화함과 동시에 일어나는 사중극자 모멘트 정렬을 관찰하는데 성공했으며, 중성자 산란 실험의 스핀방향 변화 결과와도 일치하는 것을 확인했다.
이는 이론에 머물러 있던 오비탈-격자의 상호 비례관계를 실험으로 증명한 것으로, 그간의 연구결과를 뒷받침해줄 뿐만 아니라 전이금속 산화물 및 희토류 금속 물질에서 일어나는 구조변화의 메커니즘을 설명하는 직접적인 증거를 제시한 것으로 평가된다.

이 연구는 포항방사광가속기 3C2 빔라인에서 고분해능 공명 X-선 산란 측정법을 통하여 수행되었다. 공명 X-선 산란은 방사광을 이용해야만 가능한 실험기법으로서, 모든 물질들이 고유하게 특정한 에너지의 X-선에만 뚜렷하게 반응하는 공명현상을 이용하여 물질의 구조를 분석하는 기법이다.