Polaron Absorption in a Perovskite Manganite La0.7Ca0.3MnO3
페로브스카이트 망간 산화물에서는 상자성-강자성 전이, 금속-비금속 전이 등의 현상이 일어나며, 전이 온도 Tc 근처에서 자기저항의 변화가 아주 크다는 것이 알려져 있다. '초거대 자기저항' (colossal magnetoresistance)이라고 불리는 이 현상은 물리학자들의 호기심과 고집적 자기 헤드를 만들려는 산업계의 요구에 부응하는 좋은 문제로서, 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 망간 산화물은 단열 어림법(adiabatic approximation)에서 무시했던 전자-포논간의 상호작용이 대단히 큰 것으로 알려져 있는데, '폴라론'(polaron)이라고 불리는 이 기본 들뜸은 초거대 자기저항의 기본 메카니즘 중 하나로 주목을 받고 있다.
이 논문에서는 La0.7Ca0.3MnO3의 광학적 성질을 측정하여, 원적외선 영역에서 자유전자에 의한 흡수와 0.1∼0.5 eV의 적외선 영역에서 흡수를 관찰했다. 이러한 흡수 거동을 기존의 폴라론 이론과 비교한 결과, 폴라론의 크기가 Tc 이상에서 격자 상수와 비슷하다가 (작은 폴라론), Tc 이하에서 격자 상수보다 커지는 것을 밝혀냈다. (큰 폴라론) 폴라론 크기의 변화에 따른 금속-비금속 상전이에서 플라즈마 주파수가 사라지는 사실을 알 수 있었으며, 결합 상수를 추정한 결과 큰 폴라론에서 전자-포논 결합이 상당히 큰 것으로 나타났다. 이는 1933년 Landau가 처음 제안하였으나 아직도 실험적으로 발견되지 않은 'strongly coupled 큰 폴라론'이 망간산화물에서 발견될 수 있는 가능성을 시사한다.
김기훈, 정종훈, 노태원 (서울대)
Phys. Rev. Lett. 81, 1517 (1998)
Origin of Synchronized Traffic Flow on Highways and Its Dynamic Phase Transitions
고속도로에서 별다른 이유 없이 차가 빨리 가다 느리게 가다 하면서 서행을 반복하는 상태는 우리 나라 도로 뿐만 아니라 교통 사정이 나은 국가들에서도 관측되는 현상이다. 이 논문에서는 교통의 흐름을 방정식으로 만들고 컴퓨터를 이용한 모의 실험을 통해 이런 반복 서행 현상의 원인을 밝혔다. 반복 서행은 진입로 근처에서 많이 관측되는데 이 논문에 의하면, 진입로에서 들어오는 차들의 작은 영향이 교통 흐름에 큰 영향을 줄 수가 있다. 진입로 근처에서는 고속도로를 주행하는 운전자들이 진입하는 차를 피하기 위해 차선을 바꾸거나 브레이크를 밟게 된다. 이런 반응은 고속도로의 차량 밀도가 낮을 때는 문제가 없지만 차량 밀도가 일정 이상일 경우 중요하게 된다. 차량이 많은 상태에서 소수 운전자들의 이런 반응은 주위에 있는 운전자들에게 전파되어 더 큰 반응을 야기하고 이것이 점점 자라 결국 수 km에 걸친 반복 서행을 만들게 되는 것이다. 이런 상태는 이런 증폭 과정으로 여러 시간 동안 계속될 수도 있다. Kerner와 Rehborn은 반복 서행 상태를 실험적으로 보고하면서 차선간의 속도가 동기화되는 현상에 중요성을 두어 때맞음 교통 흐름 상태라는 용어를 사용하였는데 이 논문에서는 그 상태가 생기는 원인이 차선간의 상호작용보다는 진입로에서 유입되는 교통량에 의한 것이라는 것을 보였다. 이 현상은 준안정 상태에 있던 계가 작은 건드림에 의하여 다른 상으로 변하는 일차 상전이 현상에 비유될 수 있다.
이하연, 이현우, 김두철 (서울대)
Phys. Rev. Lett. 81, 1130 (1998)
Electric Field Enhanced Crystallization of Amorphous Silicon
비정질 실리콘 박막에 Ni과 같은 금속을 0.001 nm 정도 증착하여 400 oC에서 가열하면 수백 마이크론 직경 내에 한 개 정도의 낮은 밀도로 실리콘과 같은 구조의 금속 실리사이드 결정립이 형성된다. 이런 결정립이 비정질 실리콘 위에서 확산 등에 의해서 이동하게 되면 그 궤적에 폭 약 100 nm, 길이 수 마이크론 정도 되는 바늘 모양의 결정질 실리콘을 <111> 방향으로 일정하게 형성하는 결정핵의 역할을 한다. 이런 특성을 이용하면 비정질 실리콘을 결정화시킬 수 있는데 전체 비정질 실리콘을 결정화하는데, 0.001 nm 정도의 금속을 증착한 경우 약 20시간이 걸린다. 그런데, 놀라운 것은 결정핵의 이동 속도가 전기장를 인가하면 매우 커진다는 것이다. 따라서, 결정화 속도도 전기장을 가하면 빨라지는데, 160 V/cm의 전기장을 걸면 전기장이 없을 경우 20시간 걸리던 결정화가 5분 이내에 완료되는 것을 발견했다. 다시 말해서 재래의 방법으로 600 oC에서 20시간이 걸리던 비정질 실리콘의 결정화를 이런 방법으로 380 oC에서 5분만에 가능하게 된 것이다. 또한 온도와 전기장의 세기를 조절하여 결정화된 실리콘 입자의 크기와 위치를 조절할 수 있는데, 40 mm 이상의 결정립 크기도 가능하다. 이러한 결정화 방법은 단기적으로는 액정디스플레이, 태양전지, X- ray, 영상감지소자에, 장기적으로는 유리기판 위에 만들어지는 DRAM, SRAM, CPU 등의 "system on glass"에 응용될 수 있다.
Jin Jang, Jae Young Oh, Sungki Kim, Young Jin Choi, Soo Young Yoon, and Chae Ok Kim
Nature 395, 481 (1998).