2021학년도 2학기 물리학과 세미나를 안내해 드립니다.
– 연사: 김명훈 교수(전북대학교 물리학과)
– 제목: 오비톤(orbiton) 탐색
– 초록:
20년 쯤 전에 LaMnO3라는 고체에서 ‘오비톤(orbiton)’이라고 불리는 새로운 입자를 관찰했다는 주장이 제기되었습니다. 그 주장에 대한 진위 파악에 오랜 시간이 걸리고 있지만, 이 오비톤의 증거를 실제로 관찰하게 되면 전자, 정공, 포논, 마그논, 폴라론, 엑시톤 및 플라즈몬과 같은 고체에서 발견되는 ‘준입자(quasi-particle)’ 목록에 새로운 이름이 추가될 수 있습니다. 현대의 물리학 이론은 고체 결정의 다양한 물리적 성질을 설명하기 위해서 고체 결정을 서로 약하게 상호 작용하는 준입자로 이루어진 기체로 바꿔서 생각하는 것을 좋아하기 때문에, 새로운 준입자를 발견하는 것은 물리학 이론의 발전에 매우 중요한 일입니다.
‘준입자’ 또는 ‘입자’는 일반적으로 ‘대칭성 깨짐 (symmety breaking)’으로 알려진 바닥상태의 속성과 관련이 있으며, 빛이나 중성자와 같은 외부 자극에 의해 고체에서 발생하는 교란이 양자화 된 것에 해당합니다. 예를 들어, 수많은 스핀들이 한 방향으로 정렬된 바닥상태는 스핀 대칭성이 깨진 상태입니다. 이러한 스핀 바닥상태에서 어떤 스핀 한 개의 방향이 전체 결정의 자화 방향에서 약간 벗어나면 인접한 스핀들이 복원력을 작용합니다. 스핀은 마치 자석과 같아서 스핀과 스핀 사이에는 자기력이 작용하기 때문입니다. 스핀은 자신의 회전 관성때문에 이웃 스핀이 가하는 복원력에 대해 즉시 응답하지 못하게 되며 이 때문에 복원력의 작용은 이웃하는 다른 스핀들에게 마치 물결과도 같이 퍼져나가고 결국은 결정 전체로 퍼져 나갑니다. 이러한 스핀 파동은 전자나 빛의 파동과 마찬가지로 양자화 될 수 있으며, 양자화 된 스핀 파동에 사람들은 마그논(magnon)이라는 이름을 붙였습니다.
LaMnO3라는 고체에서는 망간 이온의 최외각 전자가 망간 핵 근처에 붙잡혀 있으며 바로 옆에 있는 산소 이온이나 이웃의 망간 이온에 있는 전자들과 아주 잘 섞이지는 못합니다. 덕분에 전자는 자기가 속한 망간 이온의 위치에서 어느 정도 독자적으로 행동할 수 있습니다. 하지만, 완전히 독립된 것도 아니라서 이웃 전자들에 의해 쿨롱힘을 받으며 이것이 복원력으로 작용합니다. LaMnO3의 특별한 전자구조 때문에 망간 이온의 최외각 전자는 단 두 개의 상태만을 가질 수 있는데, 하나는 ‘eg-up’ 다른 하나는 ‘eg-down’ 라고 불리는 상태입니다. 이것은 스핀의 상태와 유사하기 때문에 우리는 이것을 ‘가짜 스핀(pseudo-spin)’이라고 부릅니다. 이 가짜 스핀들은 공간적으로 특정한 방향으로 정렬하면서 바닥상태에 대칭성 깨짐을 유발합니다. 스핀 파동과 마찬가지로 가짜 스핀 하나를 건드리면, 복원력에 의해 가짜 스핀의 회전이 결정 전체로 퍼져나갈 수 있고, 사람들은 이러한 파동을 ‘오비탈 파동(orbital wave)’이라고 부르며 그 양자화된 형태를 ‘오비톤(orbiton)’이라고 부릅니다.
문제는 오비톤을 확실하게 관찰하기가 어렵다는 것입니다. 지금까지 알려진 방법은 결정에 빛을 쪼여서 광자가 오비톤과 상호작용하며 산란되거나 흡수되는 과정을 살펴보는 것입니다. 그런데 이러한 실험결과를 해석하는 과정에서 논란이 있으며 이 때문에 오비톤은 아직 준입자 목록에 이름을 올리지 못하고 있습니다. 이 발표에서 우리는 오비톤의 관찰과 관련해서 지금까지 어떤 발견과 논란이 있었는지 살펴보고, 새로운 해석과 새로운 실험 결과를 살펴볼 것입니다. 이것을 통해 과연 오비톤이 존재할 수 있는지, 존재한다면 기존의 주장과 같은 형태인지 아닌지 등을 알아볼 것입니다.
– 일시: 10월 7일 오후 4시 30분
– 장소: 온라인(접속링크: https://ssu-ac-kr.zoom.us/j/83265012552)
많은 참여를 부탁드립니다.