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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10011167&local_id=10015229
극저온, 고자기장 하에서의 분자자성체의 양자현상 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 극저온, 고자기장 하에서의 분자자성체의 양자현상 연구 | 2006 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 윤석원(가톨릭대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number C00104
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 02월 27일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research Summary
  • Korean
  • 본 과제에서는 dilution refrigerator에 부착할 교류자력계와 이를 구동하는 데 필요한 회로를 설계, 제작하였으며 40mK, 8T의 극저온, 고자기장 분위기에서 제작한 자력계를 시험 구동하였다. 제작한 자력계는 1차 코일을 이용하여 시료에 교류 자기장을 가하고, 반대 방향으로 감은 한 쌍의 코일로 구성된 2차 코일을 이용하여 시료의 자화 변화에 따른 유도기전력을 측정하는 일반적인 형태의 교류자력계이다. 그러나 극저온에서 구동하여야 한다는 점을 고려하여 코일에 의한 열손실을 최소화하는 데 중점을 두고 자력계를 제작하였다. 자력계를 구동하는 회로는 2차 코일의 미세한 imbalance를 보정할 수 있도록 설계하였으며, 2차 코일에 유도되는 전류는 Cambridge Magnetic Refrigeration사의 LTT-m low temperature transformer를 사용하여 저온 상태에서 증폭함으로써 잡음을 최소화되도록 하였다. 제작한 1차 코일을 테스트한 결과 코일의 중심 근처 1" 내에서는 약 6% 범위 내에서 일정한 크기의 자기장이 형성됨을 확인할 수 있었다. 한편 자력계를 제작하는 데 사용한 물질들의 자기적 특성으로 인해 자기장에 따라 변화하는 background signal이 생길 수밖에 없는데 이를 보정하기 위해 자력계의 온도를 dilution refrigerator의 작동 온도로 낮춘 후 시료가 없는 상태에서 자기장에 따른 background signal을 측정하였고 그 결과를 이용하여 실제 시료의 측정값을 보정하였다. gadolinium sulfate를 테스트 시료로 자력계를 구동한 결과 0.18K 및 0.12K에서 peak이 관측되었다. 0.18K의 peak은 잘 알려진 antiferromagnetic transition에 의한 것으로 이해할 수 있지만, 0.12K에서의 peak은 현재로서는 설명할 수 없는 것으로 좀더 정밀한 실험과 이론적 연구가 필요한 상황이다. 끝으로 Mn6-piv 분자자성체 파우더 시료를 stycast를 이용하여 자력계의 silver strip에 부착하여 자기적 특성을 측정하고자 시도하였다. 그러나 stycast에 의한 background signal이 너무 커서 Mn6의 자기적 특성을 알아내는 데에는 실패하였고, 현재는 stycast를 이용하지 않고도 시료를 고정할 수 있도록 새로운 sample holder를 디자인하고 있다. 이상을 종합하면 본 과제에서는 약 40mK에서 작동하는 교류자력계를 제작하여 시험 구동에 성공함으로써 과제의 첫 번째 목표는 달성하였으나, Mn6 분자자성체에서 기대되는 준위교차의 관측이라는 두 번째 목표를 달성하는 데에는 실패하였다. 그러나 본 과제의 수행을 통해 극저온용 자력계를 제작하는 데 필요한 노하우를 습득할 수 있었으며, 무엇보다도 극저온 물리학 분야에서 세계적인 연구 인프라를 갖추고 있는 플로리다대학교의 물리학과와 지속적인 교류의 길을 마련하는 성과를 거두게 되었다.
  • English
  • We designed and constructed an ac susceptometer attached to the dilution refrigerator and the electrical circuits to operate the susceptometer. The susceptometer was tested at temperatures down to 40mK and magnetic fields up to 8T. The susceptometer is comprised of a set of coaxial coils: a primary coil, a dc coil, and a pair of counter-wound secondary coils across which an induced voltage signal is detected. The materials are carefully selected to minimize the thermal loss and the wires are heat sunk at several stages. The electrical circuit to compensate the undesired induced voltage due to small imbalance between counter-wound secondary coils is adapted and the LTT-m low temperature transformer (Cambridge Magnetic Refrigeration) is used to minimize the noise by amplifying the induced signal at low temperature. The primary coil provides homogeneous magnetic field near the center of the coil. Since the field dependent background signals due to magnetic materials in the susceptometer cannot be avoided, we measured the background signal at different temperatures as a function of field to calibrate the susceptometer. Gadolinium sulfate was used to test the susceptometer and the magnetic susceptibility showed two peaks at 0.18K and 0.12K. The peak at 0.18K is due to the antiferromagnetic transition at that temperature. However, we cannot explain the origin of the peak at 0.12K at the moment and we plan to study further on this matter. Finally, we tried to measure the magnetic susceptibility of Mn6 molecular magnet. Stycast was used to hold the powder sample of Mn6 to the sample holder made of silver strip. However, we failed to observe the level crossing that was anticipated to occur at around 3T at 0.2K because of large background signal from stycast. Currently we are designing a new sample holder to hold powder samples without using any epoxy compound. As a summary, we constructed the ac susceptometer and test it successfully at temperatures down to 40mK and magnetic fields up to 8T. However, we failed to observe the level crossing anticipated in Mn6 compound.
Research result report
  • Abstract
  • 본 과제에서는 dilution refrigerator에 부착할 교류자력계와 이를 구동하는 데 필요한 회로를 설계, 제작하였으며 40mK, 8T의 극저온, 고자기장 분위기에서 제작한 자력계를 시험 구동하였다. 제작한 자력계는 1차 코일을 이용하여 시료에 교류 자기장을 가하고, 반대 방향으로 감은 한 쌍의 코일로 구성된 2차 코일을 이용하여 시료의 자화 변화에 따른 유도기전력을 측정하는 일반적인 형태의 교류자력계이다. 그러나 극저온에서 구동하여야 한다는 점을 고려하여 코일에 의한 열손실을 최소화하는 데 중점을 두고 자력계를 제작하였다. 자력계를 구동하는 회로는 2차 코일의 미세한 imbalance를 보정할 수 있도록 설계하였으며, 2차 코일에 유도되는 전류는 Cambridge Magnetic Refrigeration사의 LTT-m low temperature transformer를 사용하여 저온 상태에서 증폭함으로써 잡음을 최소화되도록 하였다. 제작한 1차 코일을 테스트한 결과 코일의 중심 근처 1" 내에서는 약 6% 범위 내에서 일정한 크기의 자기장이 형성됨을 확인할 수 있었다. 한편 자력계를 제작하는 데 사용한 물질들의 자기적 특성으로 인해 자기장에 따라 변화하는 background signal이 생길 수밖에 없는데 이를 보정하기 위해 자력계의 온도를 dilution refrigerator의 작동 온도로 낮춘 후 시료가 없는 상태에서 자기장에 따른 background signal을 측정하였고 그 결과를 이용하여 실제 시료의 측정값을 보정하였다. gadolinium sulfate를 테스트 시료로 자력계를 구동한 결과 0.18K 및 0.12K에서 peak이 관측되었다. 0.18K의 peak은 잘 알려진 antiferromagnetic transition에 의한 것으로 이해할 수 있지만, 0.12K에서의 peak은 현재로서는 설명할 수 없는 것으로 좀더 정밀한 실험과 이론적 연구가 필요한 상황이다. 끝으로 Mn6-piv 분자자성체 파우더 시료를 stycast를 이용하여 자력계의 silver strip에 부착하여 자기적 특성을 측정하고자 시도하였다. 그러나 stycast에 의한 background signal이 너무 커서 Mn6의 자기적 특성을 알아내는 데에는 실패하였고, 현재는 stycast를 이용하지 않고도 시료를 고정할 수 있도록 새로운 sample holder를 디자인하고 있다. 이상을 종합하면 본 과제에서는 약 40mK에서 작동하는 교류자력계를 제작하여 시험 구동에 성공함으로써 과제의 첫 번째 목표는 달성하였으나, Mn6 분자자성체에서 기대되는 준위교차의 관측이라는 두 번째 목표를 달성하는 데에는 실패하였다. 그러나 본 과제의 수행을 통해 극저온용 자력계를 제작하는 데 필요한 노하우를 습득할 수 있었으며, 무엇보다도 극저온 물리학 분야에서 세계적인 연구 인프라를 갖추고 있는 플로리다대학교의 물리학과와 지속적인 교류의 길을 마련하는 성과를 거두게 되었다.
  • Research result and Utilization method
  • 연구결과:
    본 과제의 수행을 통해 40mK, 8T의 극저온, 고자기장 분위기에서 작동하는 교류자력계를 제작하여 성공적으로 시험 구동하였다. 자력계를 구동하는 회로의 일부로 2차 코일에 유도되는 전류를 low temperature transformer를 사용하여 저온 상태에서 증폭함으로써 잡음이 최소화되도록 하였고, 유도 전류의 imbalance를 보정하는 회로를 채택하였다. 잘 알려진 자성체인 gadolinium sulfate를 테스트 시료로 자력계를 구동한 결과 0.18K 및 0.12K에서 peak을 관측하였는데 0.18K의 peak은 antiferromagnetic transition에 의한 것으로 이해할 수 있지만, 0.12K에서의 peak은 현재로서는 설명할 수 없는 것으로 향후 좀더 정밀한 실험과 이론적 연구를 계획하고 있다.

    활용방안:
    본 과제의 수행을 통해 습득한 극저온용 자력계 제작 기술의 노하우를 바탕으로 좀더 진화한 형태의 교류자력계, 나아가 직류자력계를 제작하고, 이를 이용하여 분자자성체를 비롯한 다양한 자성체에 대해 연구함으로써 중시(mesoscopic) 스핀계에서 나타나는 양자역학적 현상을 규명하고자 한다.
  • Index terms
  • 분자자성체, 극저온, 고자기장, Mn12, Mn6, 거시 양자 현상, 양자 자기 투과, 준위 교차, 자력계, 스핀 상태, 스핀 해밀토니안, 플로리다대학, 마이크로켈빈연구소 molecular magnet, ultra-low temperature, high magnetic field, Mn12, Mn6, macroscopic quantum phenomena, quantum tunneling of magnetization, level crossing, magnetic susceptometer, spin state, spin hamiltonian, University of Florida, Microkelvin Laboratory
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