Direct Observation of the Fast Beam-Ion Instability
이온효과(ion-effect)는 전자가속기의 저장링 안에서 방사광에 의하여 이온화된 잔류기체가 주기적으로 회전하는 전자뭉치(beam)의 전기 포텐셜에 이끌려 일어나는 횡적인 빔 불안정성(transverse beam instability)으로서 가속기와 관련된 전자빔 물리의 고전적인 문제이기에 이미 많은 사람들이 이에 관한 연구를 하였다. 그 결과 기존의 저장링에서의 이온효과는 전자 뭉치 열(bunch train) 중간에 적당한 길이의 빈 공간(empty gap)을 두어서 붙잡힌 이온이 도망가게 함으로써 방지할 수 있고 또 인위적인 되먹임(feedback) 장치에 의해서 그 효과를 줄일 수가 있다.
그러나 최근에 B-factory, Linear Collider와 같은 입자물리학 실험을 위한 차세대 가속기의 설계과정에서 높은 전자 밀도(또는 낮은 빔 에미턴스)와 높은 전류값(1 A 이상)에 의하여 빔 불안정성의 증폭계수(growth rate)가 기존의 이온효과보다 매우 큰 fast beam-ion instability (FBII)가 가능하다는 이론적인 예측이 나왔다. FBII는 빠른 증폭계수 때문에 주기운동 조건에 의한 고전적인 이온효과와는 달리 전자 뭉치 열이 지나가는 순간에 전자 뭉치와 이온의 상호작용이 일어나서 전자 뭉치 열의 뒤로 갈수록 진동폭이 커지고 전자 뭉치의 크기가 증가하므로 linear collider와 같은 차세대 선형 가속기에서도 가속기 설계상의 중요한 문제가 된다. FBII의 더 큰 중요성은 빠른 증폭 계수 때문에 뭉치 열 중간의 빈 공간이나 인위적인 되먹임 장치에 의해서 FBII를 제어(control)할 수 없을 가능성이 있다는 데 있다.
우리는 포항 방사광 가속기 저장링에 인위적으로 헬륨 기체를 주입하여 FBII의 증폭도를 높인 다음, 빠른 전자빔 위치 측정장치와 스트릭 카메라를 써서 최초로 FBII에 의한 전자뭉치의 진동을 직접 관측하고 정량적인 결과를 얻었으며, 그 결과 전자뭉치 진동의 진폭이나 전자뭉치 크기의 변화가 컴퓨터 운동학에 의한 모의실험(simulation) 결과와 상당한 차이가 있다는 것도 발견하였다. 또한 잔류 기체의 적당한 배합에 의하여 FBII의 증폭도가 감소하는 것을 최초로 관측하여 인위적인 되먹임 장치 기술의 해결에 앞서 FBII의 효과를 줄일 수 있는 가능성을 제시하였다.
황정연, 권면, 이태연, 고인수 (포항가속기 연구소), Y. H. Chin, H. Fukuma (KEK)
Phys. Rev. Lett. 81, 4388 (1998)
A Scaling Behavior of Spectral Weight Changes in
Perovskite Manganites La0.7-yPryCa0.3MnO3
금속-비금속 상전이 온도 근처에서 망간 산화물에 자기장을 걸게 되면, 저항이 103배 이상 줄어든다. 이러한 현상은 초거대자기저항(colossal magnetoresistance: CMR)이라고 불리는데, 많은 물리학자들의 호기심을 자극할 뿐만 아니라 이 물질을 이용하여 첨단 기억소자를 만들 수 있는 가능성이 있기 때문에 산업계의 주목을 받기에 이르렀다. 따라서, 현재 이러한 망간 산화물에 대한 다양한 물성 연구가 활발히 진행되고 있다. 지금까지 초거대자기저항 효과를 설명하기 위한 이론은 여럿 있으나, 그 가운데에서도 '폴라론 (polaron)'이라고 불리는 전자-포논간의 상호작용에 관한 이론이 많은 주목을 받고 있다. 최근, 중성자 산란, X-선 흡수 미세구조(XAFS), 광학적 전기 전도도 측정 등의 연구를 통하여, 망간산화물 내에 폴라론이 존재한다는 사실은 잘 밝혀져 있다. 그러나, 초거대자기저항을 유발하는 기본 메카니즘이 폴라론이라는 결정적인 증거는 아직 없는 상태이다.
우리는 지난 8월 Phys. Rev. Lett에 발표한 논문(Phys. Rev. Lett. 81, 1517 (1998))을 통하여, 초거대 자기저항 물질 중의 하나인 La0.7Ca0.3MnO3의 광학적 성질로부터 망간 산화물의 전기역학적인 특성을 규명한 바 있다. 특히, 온도 변화함에 따른 폴라론 스펙트럼의 변화 특성에 대하여 정량적으로 연구하였는데, 이번 논문에서는 폴라론에 대한 Pr doping의 효과를 연구하였다.
즉, La0.7Ca0.3MnO3의 La 위치에 Pr을 doping하면 전자의 전도띠 폭이 줄어들어, 금속에서 비금속으로 변화해 간다는 사실에 착안을 하였던 것이다. 이번 연구에서 우리는, Pr의 치환된 양을 달리함에도 불구하고, 모든 시료의 스펙트럼 변화가 상전이 온도로 scaling될 수 있다는 사실을 발견하였다. 이 결과는 지금까지의 여러 이론들과 비교해 볼 때, 폴라론 이론으로만 설명이 가능한 것이다. 따라서, 이 결과는 망간 산화물의 초거대자기저항 효과의 기본 메카니즘이 폴라론이라는 사실을 시사하는 중요한 단서를 제공하였다.
김기훈, 정종후, 엄대진, 노태원 (서울대), 유재준 (서강대), 최은집 (서울시립대)
Phys. Rev. Lett. 81, 4983 (1998)