▲ 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단 연구단장

기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 연구단장(이화여자대학교 석좌교수)이 미국 포어사이트 연구소(Foresight Institute)에서 수여하는 ‘2018년 파인만 상(Feynman Prize in Nanotechnology)’을 수상했다. 오랜 기간 공동연구를 해온 IBM 연구소의 크리스토퍼 러츠 박사와 실험 분야에서의 공동수상으로, 선정위원회는 표면 위에 놓인 원자 및 분자를 제어해 저장 매체 및 컴퓨터 연산 기술을 진일보시킨 공로를 높이 샀다.

1986년 설립된 미국 포어사이트 연구소는 나노기술 분야에서 가장 오래되고 규모가 큰 공익 단체이자 싱크 탱크다. 포어사이트 연구소는 나노기술, 인공지능, 생명공학 등 혁신적인 기술의 발전을 도모한다는 사명 아래 설립됐다. 선구적인 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)의 이름을 따 1993년 제정된 ‘파인만 상’은 나노기술 분야에서 가장 뛰어나고 혁신적인 연구성과를 도출한 연구자에게 실험분야와 이론분야로 나누어 상을 수여한다.

하인리히 단장은 고체 계에서 원자 수준으로 양자역학적 효과를 제어하는 분야의 세계 최고 권위자로, 주사터널링현미경(STM)을 이용해 표면 위에 놓인 원자 및 나노구조물에서 나타나는 개별 원자의 스핀공명을 이용한 전자의 들뜬상태¹⁾를 측정하는 비탄성 전자 터널링 분광법(Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy, IETS)을 개발했다. 이는 전자의 바닥상태와 들뜬상태를 구별함으로서 원자의 저장 매체로의 응용 가능성을 보여주었던 연구다. 포어사이트는 IETS 연구성과를 포함해 하인리히 단장이 러츠 박사와 함께 발표한 대표적인 연구성과 5건²⁾을 선정했다.

2004년 IETS 개발 후, 하인리히 단장과 러츠 박사는 2012년 12개 원자만으로 이루어진 나노구조물의 자성특성이 수 시간 동안 유지되는 자기 비트(magnetic bit)를 선보였다.³⁾ 더 나아가 2017년 공동연구팀은 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공하며 세상에서 가장 작은 메모리 저장매체를 선보였다.

하인리히‧러츠 공동연구팀은 원자 내 전자의 양자역학 원리를 이용해 기존의 디지털 컴퓨터 연산 처리 속도를 기하급수적으로 향상시킬 수 있는 연구도 진행해 왔다. 공동연구팀은 2002년 표면 위에 놓인 개개의 일산화탄소 분자의 위치가 데이터로 인식되고 처리되는 기술을 개발해, 복잡하면서도 정교한 나노구조물을 제작했다. 해당 연구성과는 기존의 상식을 뛰어넘는 획기적인 방법으로, 하인리히 단장과 러츠 박사는 이를 계기로 양자 컴퓨터 연구에 집중하기 시작했다. 공동연구팀은 2015년 STM에 전자스핀공명 측정 기술을 구현해 에너지 분해능⁴⁾을 크게 향상시키면서, 기존의 연구보다 더 안정적이면서 확장성있는 양자컴퓨터 정보단위인 양자비트(quantum bit) 개발의 중요한 초석이 되었다.

하인리히 단장과 러츠 박사는 원자 몇 개만으로 이루어진 나노구조체부터 복잡한 기능성 구조체까지 정밀한 구조물의 제작에 성공하며, 리차드 파인먼이 꿈꿨던“원자를 자유자재로 다루는 시대”를 앞당겼다. “하인리히 단장과 러츠 박사가 수년간 이뤄낸 혁신적인 실험 기술은 원자 수준에서 물질을 제어하고 측정하는 기술을 크게 향상시켰다. 두 사람의 연구성과는 후세대 과학자들이 다양하고 새로운 연구를 시작하는 데 큰 영감을 주었다. 파인먼 상 수상자로 부족함이 없다.”며 선정위원회는 말했다.

하인리히 단장은 과학계뿐 아니라 일반 대중들에게도 이름을 알렸다. 2013년 STM으로 구리 기판 위 일산화탄소(CO) 분자들을 하나씩 일일이 옮겨 만든 스톱모션 애니매이션 ‘소년과 그의 원자(A boy and his atom)'로 칸 국제광고제 황금사자상을 받기도 했다. 하인리히 단장은 독일 태생으로 1998년 궤팅겐대학교에서 박사학위를 받았으며 미국 산호세에 위치한 IBM 알마덴 연구소에서 18년 간 연구경력을 쌓은 뒤, 2017년 IBS 양자나노과학(Center for Quantum Nanoscience) 연구단 연구단장에 선정됐다. 고체물리학과 표면 연구에 집중했으며 양자나노과학 분야에서 국제적인 명성을 쌓고 있다. 이화여자대학교에 위치한 양자나노과학 연구단은 표면과 계면에서의 원자 단위 양자 효과를 제어하는 분야에서 세계 최고 수준의 연구를 수행하고 있다.

본 상의 시상은 포어사이트가 2018년 5월 6일 미국 세인트루이스 워싱턴 대학에서 개최한 “통합 분자 기계: 물질에서부터 나노시스템까지(Integrated Molecular Machines: From Materials to Nanosystems)” 춘계 워크샵에서 진행됐다.