Microscopic States and the Verwey Transition of Magnetite Nanocrystals Investigated by Nuclear Magnetic Resonance

자철석 (Magnetite) 나노입자는 MRI 조영제 또는 암세포의 온열치료 등 생명공학 분야에서 응용이 가능한 강한 자성을 가진 물질이다. 응집물질물리 분야에서는 이 물질 내에 존재하는 Verwey 상전이에 대해 오래 전부터 연구가 진행되어 왔고, 양질의 나노입자가 합성되기 시작하면서 상전이가 나노미터 크기에서는 다르게 나타남이 확인되었다. 본 연구에서는 핵자기 공명 (Nuclear Magnetic Resonance) 실험을 이용하여 나노입자에서는 상전이 온도 전 후의 선폭 변화가 확연히 다름을 확인하였다. 그리고 스펙트럼의 선폭과 스핀-스핀 완화 시간 (spin-spin relaxation time)이 나노입자의 크기에 따라 경향성이 나타남을 확인했다. 실험 결과 분석을 통해 나노입자에서는 벌크 입자에 비해 자기 구조가 변하고 전하 정렬 (Charge ordering)이 약해지며, 전자-포논 결합이 강해지는 것을 규명하였다.

Abstract: 57Fe nuclear magnetic resonance (NMR) of magnetite nanocrystals ranging in size from 7 nm to 7 μm is measured. The line width of the NMR spectra changes drastically around 120 K, showing microscopic evidence of the Verwey transition. In the region above the transition temperature, the line width of the spectrum increases and the spin−spin relaxation time decreases as the nanocrystal size decreases. The line-width broadening indicates the significant deformation of magnetic structure and reduction of charge order compared to bulk crystals, even when the structural distortion is unobservable. The reduction of the spin−spin relaxation time is attributed to the suppressed polaron hopping conductivity in ferromagnetic metals, which is a consequence of the enhanced electron−phonon coupling in the quantum-confinement regime. Our results show that the magnetic distortion occurs in the entire nanocrystal and does not comply with the simple model of the core−shell binary structure with a sharp boundary.

참여 연구원: 김태훈, 박제근