물리학과 첨단기술 July/August 2011 22

자기 원편광 이색성 흡수분광기 DOI: 10.3938/PhiT.20.033 박 재 훈

저자약력

박재훈 교수는 미국 미시간대학교(Ann Arbor) 이학박사(1993)로서, 미국 루센트 테크놀로지 연구원(1994-1996), 미국 브룩헤븐연구소 연구원(1996- 1999)을 거쳐 현재 포스텍 물리학과 교수로 재직 중으로 상호결합복합기능성물질 연구단 단장으로도 활동 중이다. (jhp@postech.ac.kr)

Fig. 1. Schematic picture for the x

‐ray absorption spectroscopy at 3d

transition metal L2,3‐edge(2p1/2, 2p3/2

→3d).

X‐ray Absorption Magnetic Circular Dichroism

(XMCD)

Jae-Hoon PARK

X‐ray absorption magnetic circular dichroism (XMCD), which utilizes synchrotron radiation, has become one of the most powerful tools to investigate microscopic information on the magnetic properties of ferromagnetic materials. In a ferromagnetic system, the X‐ray absorption rate becomes different for different photon helicity vectors, right and left circular polarized light, and the difference in the absorption rate provides information on the spin and the orbital mag-netic moments separately. The orbital magnetic moment is mostly quenched in solids and is often neglected. However, because the magnetic anisotropy is determined by this small orbital magnetic moment through the spin‐orbit cou-pling, it plays a critical role in the magnetic behavior. Further, the core level absorption energy is characterized by the element; thus, XMCD is a unique way to determine the element-specific spin and orbital magnetic moments. This article presents a brief introduction to X‐ray absorp-tion spectroscopy and X‐ray magnetic circular dichroism experimental techniques.

지난 40년간 방사 가속기의 발 과 함께 이를 이용한 연

구는 크게 확 되었으며, 최근에는 그 이용 연구가 물리, 화학, 재료, 생명, 의학, 환경 공학, 기계 공학 등 거의 부분

의 과학 기술 분야로 범 하게 활용되면서 가속기를 이용

한 실험 방법에 한 심이 크게 확 되었다. 방사 가속기

를 이용한 실험 방법에는 크게 (i) 구조 연구를 한 엑스선

굴 (x‐ray diffraction; XRD) 산란(x‐ray scattering; XRS),

(ii) 자 상태 자 구조 연구를 한 엑스선 흡수 분 기

(x‐ray absorption spectroscopy; XAS)와 자 분 기

(photoemission spectroscopy; PES) 등으로 구분되며, 최근

3세 방사 가속기의 발 과 함께 빛의 집 도(Brightness)가 크게 향상되면서 그 실험 방법이 미경 기술로까지 발

하여 가고 있다. 본 에서는 이들 실험 방법 엑스선 흡수

분 기(XAS)와 이를 빛의 원편 성과 결합함으로서 물질의

자기 상태를 분석하는 엑스선 자기 원편 이색성(XMCD)의

원리에 해서 알아보려 한다.

엑스선 흡수분광기

(X‐ray absorption spectroscopy; XAS)엑스선 흡수 분 기는 에 지 변화에 따른 엑스선의 흡수

정도를 측정함으로서 물질의 자 상태에 한 정보를 얻게

된다. 엑스선 흡수는 각 원소에 따라 어느 특정 에 지에서 크

게 이루어지는데 자를 흡수 해당 원소의 core level에 있는

자가 최외각 로 이를 함으로서 이루어지게 된다. 이는

Fig. 1에서 보듯이 양자역학 으로는 Electric dipole tran-sition에 해당하게 된다. 를 들어 3d 이 속에 있어서

2p1/2,3/2→3d(2,3‐edges), 4f 희토류 속에 있어

서는 3d3/2,5/2→ 4f (M4,5‐edges), 즉 각운동량(an- gular momentum)의 변

화 ±1에 해당하는

Golden rule을 따르게

된다.Core level의 에 지는

Fig. 2에서 보는 바와 같

이 각 원소에 따라 특정

지어지고 따라서 흡수되

는 엑스선의 에 지에 따

라 원소를 정의할 수가

있게 되며, 이를 통하여

element specific한 흡수

스펙트럼을 얻을 수 있게

N ho lesD O Sk

L3 I+sL2 I-s

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Fig. 2. L2,3‐edge x‐ray absorption spectra of Fe, Co, Ni metals and

their oxides.

Fig. 3. XAS spectra of ionic compounds VF3, MnF2, and CoF2 compared with the theo-

retical multiplet calculations. Taken from [1].

된다. 한 이때 흡수 스펙트럼의 모양을 보면 그 line shape이 metallic 물질의 경우 매우 단순한 반면 ionic 물질의 경우

매우 복잡한 형태를 띠게 된다. 이는 ionic 물질에 있어서 최외

각 자인 3d 자 상태가 각 원소 사이트에 국한되는 국소

(localize)인 특성 때문에 원자 인 특성(atomic character)을

가짐으로써 자들간의 Coulomb 에 지 값이 매우 크게 된다. 이는 absorption process 2p63dn

→ 2p53dn+1를 통한 2p53dn+1

final state가 이들 atomic Coulomb mutiplet state들로 귀결

되고 따라서 이들 multiplet state들이 스펙트럼에 그 로 반

된 결과이다. 이와 같은 흡수 스펙트럼을 측정함으로서 본 원

소가 물질 내에서 metallic 형태로 존재하는지 아니면 ionic 결합 형태를 갖는지를 쉽게 구분해 낼 수 있게 된다.이와 같이 복잡한 구조를 갖는 multiplet 상태는 model

calculation을 통한 final state multiplet 계산 각 state들에 해 Golden rule에 따른 흡수율 transition intensity,

(XAS) |⟨f|† c|i⟩|2 ( − (f i)), 계산을 통해

Fig. 3에서 보는 바와 같이 잘 이해될 수 있다. 이와 같이 복

잡한 XAS multiplet 구조는 initial state인 Ground state에서의 electron spin configuration 즉 ionic valence

spin state에 따라 다른 형태를 갖기 때문에 이는 일종의 fig-

ure print로서 Ground state의 상태를 명확히 규명할 수 있

게 된다. 한 비 칭성을 갖는 물질의 경우 방사 가속기에

서 나오는 자의 선 편 특성을 이용하여 각 방향에 따라

어떤 orbital state가 occupy되고 어떤 orbital state가 un-occupy가를 결정할 수 있게 된다. 그 결과 편 에 따른 흡수

스펙트럼을 측정함으로써 비 칭성 격자구조를 갖는 물질에

서의 궤도 비 칭(orbital anisotropy) 한 규명이 가능하다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 고온 도체 등과 같은

상 구조를 갖는 물질에서 궤도 비 칭성의 규명은 비 칭

물성 특성을 밝히는 데에 결정 인 정보를 제공하게 된다.

엑스선 자기 원편광 이색성

(X‐ray magnetic circular dichroism; XMCD)

에서 언 하 듯이 엑스선 흡수 분 기는 자의 흡수를

통한 자 상태의 이로서 Golden rule에 따라 Dipole se-lection rule을 따르게 된다. 이는 자가 각운동량(angular momentum) 1을 갖는 양자의 특성을 갖고 있기 때문이

다. 이때 방사 가속기에서 나오는 빛의 원편 (circular po-larized) 자를 이용하여 흡수스펙트럼을 측정하여 강자성

(ferromagnetic) 물질에서의 spin 비 칭성 궤도 각운동량

에 한 정보를 얻게 되며, 이를 통하여 스핀자기모멘트(S)와 궤도자기 모멘트(L)를 결정하게 되는데 이를 엑스선 자

기 원편 이색성(XMCD)이라 한다. 엑스선 자기 원편 이

색성은 각 원소에 따라 흡수에 지가 다른 엑스선 흡수 분

기를 활용하 기에 각 원소별로 스핀 자기모멘트 S와 궤도

자기 모멘트 L을 독립 으로 결정할 수 있는 유일한 실험

으로 자성체 연구에 있어서 폭넓게 활용되고 있다. 자는 우원편 (right circular polarization)이냐 좌원편

(left circular polarization)이냐에 따라 빛의 진행방향( z1) 혹은 그 반 방향( z1)의 각운동량을 갖게 된다. 이와 같은 각 운동량의 방향이 자의 스핀 방향과 같은 방

향(parallel)이냐 반 방향(antiparallel)이냐에 따라 그 흡수

율에 차이가 나타나게 되는데 이와 같

은 차이의 크기를 통하여 자기 모멘트

를 결정할 수 있게 된다. 강자성체의 경

우 Net spin이 방향성을 갖게 되고 따

라서 물질에서의 평균 인 흡수율 한

차이를 보임으로써 자기 원편 이색성

을 얻게 된다. 양자역학 으로 살펴보면

원편 자의 각운동량이 우원편 의

경우 z1 좌원편 의 경우 z1로 특정 지어짐에 따라 흡수 이에서

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Fig. 4. Schematic Diagram of

XAS for left and right circular

lights and a typical XMCD

spectrum at bottom.

Fig. 5. (a) X‐ray absorption spectroscopy(XAS) spectra with cir-cularly polarized lights for the photon helicity vector parallel() and antiparallel() to the magnetization direction. (b) Magnetic circular dichroism(MCD) spectrum and its integration. (c) Total XAS spectrum and its integration. Taken from [3].

REFERENCES

[1] F. M. F. de Goot, J. C. Fuggle, B. T. Thole and G. A.

Sawatzky, Phys. Rev. B 42, 5459 (1990).

[2] B. T. Thole, P. Carra, F. Sette and G. van der Laan,

Phys. Rev. Lett. 68, 1943 (1992).

[3] C. T. Chen, Y. U. Idzerda, H.‐J. Lin, N. V. Smith, G. Meigs, E.

Chaban, G. H. Ho, E. Pellegrin and F. Sette, Phys. Rev. Lett.

75, 152 (1995).

의 dipole selection rule 한 ±1과 l 1 혹은 l 1로 보다 강화

되게 되며 이는 Fig. 4에서

보는 바와 같이 이를 하는

Core 자가 2p3/2이냐 2p1/2

이냐에 따라 transition ma-trix element가 다르게 용

되어, 흡수율이 2p3/2(3‐edge)의 경우 antiparallel(left cir-cular)에서 커지는 반면 2p1/2

(2‐edge)의 경우 반 로 par-allel(right circular)에서 커

지게 된다.흡수율의 차이인 MCD(+−

‐)는 스핀 자기 모멘트만 고

려하는 경우 2p3/2(3‐edge)와 2p1/2(2‐edge)에서 기호

는 반 이지만 그 크기는 같

게 나타나게 된다. 따라서

MCD를 2,3‐edge에 걸쳐

분을 하면 서로 상쇄되어 0이 된다. 그러나 궤도 자기

모멘트가 있는 경우 2‐edge와 3‐edge에서 MCD 크기의 차

이가 발생하게 되어 2,3‐edge에 걸친 분 값이 살아남게 된

다. 이때 궤도 자기 모멘트의 방향 크기는 각각 2,3‐edge에 걸친 분 값의 부호 크기에 의해서 결정하게 된다. 따라서 에 지에 따른 좌우 원편 흡수율의 차이를 나타내는

XMCD 스펙트럼을 분석함으로써 스핀 자기 모멘트 S와 궤

도 자기 모멘트 L값을 각각 결정할 수 있다. 좌우 원편 에

따른 흡수율의 차이는 2p Core level을 2p3/2(3‐edge)와

2p1/2(2‐edge)로 구분하는 2p 스핀‐궤도 결합(LS coupling)에

의한 결과이기에 만일 이 스핀‐궤도 결합 에 지가 작아서

2p3/2(3‐edge)와 2p1/2(2‐edge)에 상호 간섭이 있는 경우 스

핀 자기 모멘트를 결정하는 데에 있어 어려움이 따르게 되기

도 한다.한 로서 엑스선 자기 원편 이색성을 이용하여 표 인

강자성체 속인 철(Fe)에서 S와 L를 결정하여 보면 다음

과 같다. Fig. 5(a)에서 보듯이 철의 2,3‐edge에서의 원편

자의 편 에 따른 흡수스펙트럼이 에서 언 하 듯이 흡

수율 +가 ‐에 비해 3‐edge에서는 작은 반면 2‐edge에서는

크게 나타난다. 따라서 Fig. 5(b)에 보여진 흡수율 차이인

MCD(+‐) 스펙트럼을 보면 3‐edge에서는 음수로 2‐

edge에서는 양수로 나타나게 된다. 이와 같이 실험 으로 얻어

진 MCD 결과에 흡수 에 지 역에 한 분량을 이용 Spin sum rule과 Orbital sum rule을 용하면 간단하게 S와 L

에 한 정량 인 분석이 가능하다.[2] 분량 ±≡±라고 정

의하면 Spin sum rule에 따라 략 으로 표 하면 스핀 자

기 모멘트 ∝( 24)()로, Orbital sum

rule에 따라 궤도 자기 모멘트 L∝()()로 주

어지게 된다.[3] Fig. 5(b), (c)에서 에 지에 따른 분 값을 보

면 ≡, L3, L2, 에 해

당하게 됨으로 따라서 스핀 궤도 자기 모멘트는 각각 S

∝(24())과 L∝에 의해서 결정된다.

A

B

rightleft

E⃗

L+sL-s

2p3/2

2p1/2

L3

L2

(a)

(b)

(c)