국내 연구진, 세계 최초 고체 표면 단일원자 특성 관찰 성공…사이언스誌 게재

[이데일리 이연호 기자] 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 교수) 연구진이 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도. 연구진은 산화마그네슘(MgO) 기판 위에 원자를 올려두고 주사터널링현미경(STM)으로 원자핵의 스핀 특성을 관찰했다. 스핀은 일종의 회전하는 막대자석에 비유할 수 있다. STM은 뾰족한 금속 탐침을 이용해 표면의 형상을 원자 단위로 파악하는 기술로 표면 위 원자의 위치를 다른 곳으로 이동시키는 것도 가능하다. 그림=IBS.

원자의 핵스핀이 내는 에너지는 매우 약해서 지금까지는 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었다.

전자소자는 정보를 저장하고 연산하기 위해 자성을 활용한다. 이 근간에는 ‘스핀’이라는 특성이 있다. 스핀은 원자핵이나 전자가 갖는 값으로 자전운동에 따라 보통 위(↑)나 아래(↓)의 방향성을 갖는다. 핵스핀과 전자스핀은 서로 밀어내거나 끌어당기는 ‘초미세 상호작용’을 하며 원자의 전자기적 특성을 결정한다.

개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 양자 전자소자를 구현하기 위해서는 단일 원자의 스핀 특성을 규명하는 것이 필요하다. 하지만 전자스핀과 달리 핵스핀은 현재까지 단일 원자 단위에서 측정이 어려웠다.

이번에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높여서 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정할 수 있었다.

이번 연구 성과는 세계 3대 과학 학술지인 사이언스(Science, IF 41.058) 온라인 판에 19일 3시(한국시각)에 게재됐다.

양자컴퓨터, 초소형컴퓨터 등 차세대 정보처리장치 구현을 위해서는 정보를 저장하는 단위를 줄여야한다. 핵스핀은 유력 초소형 메모리 후보지만 아직까지 정확한 특성이 밝혀지지 않았다.

이번에 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 단일원자의 핵스핀 측정에 성공함으로써 하나의 원자가 정보를 오랫동안 저장하는 메모리 단위로 쓰일 수 있다는 가능성을 확인했다.

STM은 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰할 수 있는 기술로 인형 뽑기처럼 원자 하나를 집어 위치를 이동시키는 것도 가능하다. ESR은 원자핵의 스핀과 전자스핀 사이 서로 밀어내거나 끌어당기는 상호작용으로 원자의 자기적 특성에 영향을 준다.

또 연구진은 고체 기판 위 원자가 놓인 위치에 따라 소자의 전자기적 특성이 달라짐을 확인했다. 이는 향후 개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 설계에 핵심원리로 사용될 수 있다.

이번 연구성과는 향후 양자 정보를 저장하고 연산하는 양자컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로 응용될 수 있다. 원자가 메모리이자 회로가 되는 고체기반 차세대 전자장치 설계에도 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다.

안드레아스 하인리히 연구단장은 “이번 연구는 다수의 원자의 특성을 토대로 쓰인 기존 물리학적 지식을 검증할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 의미가 있다”며 “현존하는 물리 이론을 뛰어넘는 새로운 소재를 발굴하는 연구에 돌파구 제시한 셈”이라고 말했다.