보통 희토류(rare-earth) 성분에서 관찰되는 자기적 성질이 극저온의 조건에서 철(iron)에서도 나타난다는 사실이 에너지부 산하 에임즈 연구소(Ames Laboratory) 과학자들에 의해 밝혀졌다. 이런 성질은 희토류 성분을 포함하고 있는 않은 새로운 철 기반의 화합물에서 관찰되었으며, 이 때 철 원자는 두 개의 질소 원자 사이에 위치해 있다.

 

본 연구는 자성(magnetism)과 영구성(permanence)을 동시에 갖는 고강도 영구자석에 철을 사용할 수 있는 가능성을 제시해주고 있다. 고강도 영구자석은 직접 구동 풍력터빈(direct-drive wind turbine) 혹은 하이브리드 차량의 전기 모터와 같은 곳에서 사용된다. 본 연구결과는 Nature Communications지에 게재되었다.

 

현대의 자석에서, 철은 대부분의 자석에 강도를 부여하며 풍부하고 저렴하다는 장점까지 가지고 있다. 그러나 자석이 되기 위해서는 희토류 성분을 포함해야 자석이 영구성을 갖고 고정된 자기장의 방향성을 가지게 된다. 이를 비등방성(anisotropy)이라고 한다. 따라서 이상적인 차세대 영구자석은 철이나 다른 풍부한 원소에 대한 의존도가 증가하고 희토류에 대한 의존도는 감소해야 할 것이다.

 

본 연구의 핵심은 보통 희토류에서 나타나는 자기비등방성(magnetic anisotropy)이 철에서도 관찰되었다는 점이다. 이것 자체가 산업계에서 직접 응용할 단계는 아니며, 자기적 특성이 극저온에서만 나타나고 있기 때문이다. 그러나 기초과학분야에서는 나름 의미 있는 결과로, 추가적인 기술적 해결의 가능성을 열어두고 있다고 Paul Canfield는 강조하였다.

 

Canfield의 연구팀은 신소재의 설계, 발견, 성장 및 특성화에 전문적인 국제적인 연구집단이다. 이들 노력을 통해 연구팀은 리튬-질소 용액으로부터 리튬-철-질화물 단결정(lithium-iron-nitride single crystal)을 성장시키는 새로운 기술을 설계하였다.

 

용액 상에서 질소를 이용한 성장은 아직 잘 연구된 분야가 아닌데, 보통 질소가 기체상태로 존재하기 때문에 용액에서 활용한다는 것 자체가 어렵기 때문이다. 그러나 연구팀은 가장 가벼운 고체 원소인 리튬이 용액에서 질소를 잡아두는 역할을 함을 발견하였다. 이에 연구팀은 리튬과 리튬-질화물 가루를 섞어서 작업하여 용액을 만들어낸 것이다.

 

그러고 나서 철을 첨가하였더니 철이 용해된 것이다. 철로 치환된 리튬 질화물의 단결정은 더욱 놀라운 결과를 만들어냈다; 자화(magnetization)의 방향을 변경하는데 필요한 외부자장이 11테슬라 이상으로 상업적으로 활용되고 있는 영구자석의 경우보다 컸으며, 단결정에서 관찰되는 경우보다는 100배 이상 컸다.

 

이 화합물에서 철의 이러한 독특한 특성의 추가적인 증거는 field-induced quantum tunneling을 통해 밝혀졌는데, 상대적으로 높은 온도인 10Kelvin에서 매우 희석된 철 농도로 관찰되었다. 정확한 측정을 통해, 연구팀은 이런 단일 철 이온들이 실제 희토류 단일원소와 유사한 거동을 보임을 관찰하였다. 그 기하학적 구성도 단순하였다. 한 개의 철 이온이 두 개의 질소 이온 사이에 위치한 것이다.

 

이 결정 성장 기술 및 특별한 물질은 희토류 유사 철 이온의 추가적인 이론적 연구를 위한 모델 시스템이 될 수 있을 것이다. 이 물질은 희토류를 사용하지 않는 영구자석의 출현 가능성을 높여주고 있으며, 아마도 데이터 저장 및 양자컴퓨터와 같은 분야에도 영향을 미칠 것으로 예상된다.

 

본 연구는 미국 에너지부 산하 Office of Science의 지원을 받았다. Office of Science는 미국에서 물리과학 분야의 기초연구를 위해 자금을 지원하고 있다.