퀴리 온도

퀴리 온도(Curie temperature)는 영구 자성을 가진 강자성(ferromagnetic) 또는 준강자성(ferrimagnetic) 물질이 자성을 잃어버리고 상자성(paramagnetic) 물질로 바뀌는 임계 온도(critical temperature)이다.

물질의 자기적 특성은 구성 입자의 자기 모멘트에 의해 결정된다. 그림 1은 강자성 물질에서 자기 모멘트가 같은 방향으로 배열된 상태이다. 그림 2는 상자성 물질에서 자기 모멘트가 무질서하게 배열된 상태이다. 외부에서 강한 자기장이 가해지면 상자성 물질의 자기 모멘트가 자기장 방향으로 배열한다. 그림 3과 4는 준강자성 물질과 반강자성(anti-ferromagnetic) 물질의 자기 모멘트의 배향이다.

그림 1. 강자성 물질의 자기 모멘트 배열. ()

그림 2. 상자성 물질의 자기 모멘트 배열. 자기장이 없을 때(왼쪽)와 강한 자기장이 가하졌을 때(오른쪽)의 배열을 보여준다. ()

그림 3. 준강자성 물질의 자기 모멘트 배열 ()

그림 4. 반강자성 물질의 자기 모멘트 배열 ()

고체의 온도가 높아지면 입자의 운동 에너지가 증가하여 자기 모멘트 배열이 무질서하게 변하는 상전이가 일어난다. 퀴리 온도보다 높은 온도에서는 자기 모멘트 사이의 상호작용보다 운동 에너지가 더 커진다. 퀴리 온도는 대부분 그 물질의 녹는점보다 훨씬 낮다.

강자성 물질이 상자성 물질로 바뀌는 것과 비슷하게, 강유전성(ferroelectricity) 물질이 상유전성(paraelectricity) 물질로 바뀌는 온도를 퀴리 온도라고 부르기도 한다.

퀴리 온도는 퀴리 부인의 남편이자 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859-1906)의 이름을 딴 것이다.

그림 5. 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859-1906) ()

표 1. 여러 가지 물질의 퀴리 온도(K).¹⁾

퀴리 온도와 비슷하게, 반강자성 물질이 상자성 물질로 바뀌는 온도를 닐 온도(Néel temperature)라고 부른다. 프랑스의 물리학자 루이 닐(Louis Néel, 1904-2000)은 이와 관련된 연구로 1970년 노벨 물리학상을 받았다.

목차

퀴리-바이스 법칙(Curie–Weiss law)²⁾에 따르면, 퀴리 온도보다 높은 상자성 온도 범위에서 강자성 물질의 자기화율(magnetic susceptibility) χ의 온도 의존도는 다음과 같다.

@@NAMATH_INLINE@@\chi={C \over{T - T_C }}@@NAMATH_INLINE@@

여기서 @@NAMATH_INLINE@@C@@NAMATH_INLINE@@는 물질의 고유한 퀴리 상수, @@NAMATH_INLINE@@T@@NAMATH_INLINE@@는 절대 온도, @@NAMATH_INLINE@@T_C@@NAMATH_INLINE@@는 퀴리 온도이다. 퀴리-바이스 법칙은 근사적이므로 상자성 물질의 자기화율은 퀴리 온도에서 특이점(singularity) 현상이 나타나는 것처럼 보인다.³⁾

온도에 따라서 일어나는 강자성-상자성 전이 현상은 자성 저장 매체나 온도 조절 장치에 이용된다. 물질의 조성이 달라지면 퀴리 온도도 변화한다. 결정 격자의 구조가 달라지는 경우에도 그리고 압력이 높아져도 퀴리 온도가 달라진다. 높은 압력을 가해 부피가 줄어들면 결정 구조가 달라지면서 자기 모멘트 사이의 상호작용이 달라지기 때문이다. 또한 결정 격자(crystal lattice)를 구성하는 입자의 크기가 달라질 때에도 퀴리 온도가 달라진다. 강자성 입자의 크기가 나노 수준으로 작아지면 입자가 자유롭게 움직이는 데 필요한 에너지가 작아진다. 이런 경우에는 퀴리 온도보다 낮은 온도에서도 강자성 나노 입자는 상자성을 보인다. 이는 입자의 크기에 따라 퀴리 온도가 달라지는 극단적인 예이다. 퀴리 온도 이하에서 강자성 물질이 상자성을 보이는 현상을 초상자성(superparamagnetism)이라고 부른다.

1.
2. 피에르 퀴리와 프랑스의 물리학자 피에르 바이스(Pierre Weiss, 1865-1940)의 이름을 딴 법칙이다.
3. 실제로는 퀴리 온도와 비슷한 온도에서는 자기화율이 @@NAMATH_INLINE@@{(T - T_C)}^\gamma@@NAMATH_INLINE@@ 에 반비례한다. 여기서 @@NAMATH_INLINE@@\gamma@@NAMATH_INLINE@@는 임계 상수이다.