고체에 존재하는 새로운 입자를 찾아서 ...
고체에서는 대칭성이 자연적으로 깨진 상태에서 외부 섭동이 주어지면 집단적 흥분이 발생한다. 격자 진동에 해당하는 포논과 정렬된 스핀들로부터 발생하는 스핀파가 좋은 예이다. 이미 1970년대부터 전자 오비탈이 공간적으로 정렬된 오비탈 정렬 상태에서 오비탈의 상대적인 모양의 변조가 오비탈 파동을 발생시킬 수 있다는 제안이 있었다 [1]. 2001년에는 LaMnO3라는 모트 부도체에서 오비탈 파동을 라만 산란을 통해 실험적으로 발견했다는 보고도 있었지만 [2], 일반적인 포논과 구분이 애매하다는 논란이 있다 [3]. 최초의 실험적 연구로부터 20년 가까운 시간이 지났지만, 아직까지 오비탈 파동의 증거가 분명히 관찰되지는 않았다.
최근까지 LaMnO3에 대한 다양한 분광학 연구 결과들이 축적되었다. 특히 우리 연구진은 최근 연구에서 페로브스카이트 LaMnO3에서, Jahn-Teller 포논과 결합된 오비탈 파동이 나타날 수 있으며 광학적 방법에 의해 탐지 될 수 있음을 주장했다 [4,5]. LaMnO3에서 오비탈 파동은 약 1~2 eV의 광자 에너지, 파장으로 치면 약 600 ~ 1200 nm의 광자에 의해 여기될 수 있으며, 우리의 계산에 따르면 고유진동수는 611 cm-1에 해당한다. 오비탈 파동의 고유한 특성은 교환 에너지 및 Jahn-Teller 결합 상수와 같은 변수에 의해 결정되지만, 이러한 물리량들을 단순한 분광 실험으로 직접 결정할 수 없는데도 불구하고 기존의 분광 실험들은 모두 짧은 주파수 범위의 스펙트럼 분석만을 하고 있어서 오비탈 파동의 결정적 증거를 찾기 어렵다. 따라서, 기존의 주파수 스펙트럼 분석 방법을 너머서, 더 직접적으로 오비탈 파동의 특성을 나타내는 물리 현상을 관찰할 필요가 있다. 새로운 실험 방법, 새로운 실험 장치 개발이 필요한 일이며, 현재 우리 연구 그룹은 이러한 연구에 매진하고 있다.
오비탈 파동의 도식적인 그림. 위 그림은 바닥상태에 있는 망간 이온들에 붙어서 국소화된 최외각 전자 구름들. 아래 그림은 오비탈 파동이 외부 섭동에 의해 여기 되었을 때 전자 구름들의 모양을 스냅 샷으로 나타낸 것임. Nature (London) 410, 180 (2001).
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= 참고문헌=
[1] K. I. Kugel and D. I. Khomskii, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 64, 1429 (1973) (Sov. Phys. JETP 37, 725 (1973)).
[2] E. Saitoh, S. Okamoto, T. K. Takahashi, K. Tobe, K. Yamamoto, T. Kimura, S. Ishihara, S. Maekawa, and Y. Tokura, Nature (London) 410, 180 (2001).
[3] M. Grüninger, R. Rückamp, M. Windt, P. Reutler, C. Zobel, T. Lorenz, A. Freimuth, and A. Revcolevschi, Nature (London) 418, 39 (2002).
[4] P. Munkhbaatar and Kim Myung-Whun, Phys. Rev. B 97, 085101 (2018).
[5] P. Munkhabaatar et al., Appl. Phys. Lett. 106, 092097 (2015).