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세상에서 가장 작은 메모리, 원자단위로 정보저장

- 홀뮴 원자 자기변화로 디지털신호 읽기·쓰기 성공 -

실리콘 기반 전자소자는 갈수록 늘어나는 데이터를 신속히 처리하도록 진화했다. 사물인터넷 시대의 도래로 더 작고 더 빠르며, 소비전력이 낮은 전자소자가 필요한 상황이다. 실리콘 소재를 활용한 전자소자의 발전은 한계에 다다랐다.1)

연구자들은 벌크소재와는 전혀 다른 성질의 나노단위 이하 물질로 한계 극복에 나섰다. 만약 원자 하나로 1비트2)의 디지털신호를 구현한다면 어떨까. 전문가들은 지금까지 상영된 모든 영화를 USB 메모리카드 한 개 크기의 칩에 담고도 남을 것이라고 말한다.


▲ STM의 탐침이 홀뮴 원자에 약한 전류를 흘려 스핀을 읽고 있다.


▲ STM에서 나온 강한 전압펄스는 스핀의 방향을 바꾸고 홀뮴원자에서 나온 자기장은 철원자에 영향을 미쳐 반대 반향의 스핀을 갖게 한다.

 

IBS 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(Andreas Heinrich, 이화여대 물리학과 교수)은 홀뮴(Ho)3) 원자 한 개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다. 현재 상용화된 메모리는 1비트 구현에 약 십만 개의 원자가 필요하다. 이번 성과는 A. 하인리히 단장이 IBM 재직시절 주도했으며, 사실상 이보다 작은 저장단위는 이론적으로 불가능하다.

연구는 미국 IBM 알마덴 연구소의 주사터널링현미경4)(Scanning Tunneling Microscope, 이하 STM)으로 진행됐다. STM 조작으로 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자는 위(up)와 아래(down) 방향 둘 중 하나의 스핀5)을 갖는다. 두 경우 전류 크기가 서로 달라 STM으로 전류를 측정해 원자의 스핀을 읽을 수 있다. 만약 STM 탐침으로 홀뮴 원자에 전압 펄스를 가하면 홀뮴 원자의 스핀이 반대로 바뀐다.


▲ [그림 1] 주사터널링현미경 미세탐침과 홀뮴, 철 원자의 구조

또한 연구진은 홀뮴 원자 옆에 철 원자를 놓아, 홀뮴의 스핀을 읽는 일종의 원격 센서로 활용했다. 각 원자가 낱개의 자석인 홀뮴이 만드는 자기장은 철 원자를 반대방향으로 자화시킨다. 철 원자의 전자스핀공명(Electron Spin Resonance, ESR)을 측정하면, 홀뮴 원자의 스핀을 쉽게 감지할 수 있다.

단일 원자의 ESR 측정은 연구진의 독점 기술로 최근 해당 내용이 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, 17.03.06)에 소개된 바 있다. 원자가 만드는 자기장을 감지해 디지털신호를 읽는 방법으로, 현재 상용화된 하드 디스크가 정보를 읽는 원리와 유사하다.


▲ [그림 2] 홀뮴 원자의 자성에 따라 달라지는 철 원자의 ESR 신호

연구진은 홀뮴 원자 두 개로 총 네 가지 ESR신호를 구분지어 읽는데도 성공했다[그림3]. 홀뮴 원자들은 1nm 정도 간격으로 밀집해도 서로 영향을 주지 않았다. 그만큼 원자를 촘촘히 배열할 수 있어, 저장밀도를 혁신적으로 높일 수 있다.


▲ [그림 3] 철 원자 한 개로 측정한 두 개의 홀뮴 원자가 만드는 네 가지 자화 상태 ESR 신호

이번 연구의 공동교신저자인 A. 하인리히 단장은 "홀뮴 원자들이 근접해도 스핀에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났는데, 그 이유를 규명하고 보다 높은 온도6)에서 재현하는 것이 다음 목표"라며 "두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어가 가능하도록 추가적인 연구가 뒷받침 되면 양자컴퓨팅을 위한 큐비트7)를 만들 수 있을 것으로 보인다."고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature) 3월 9일자 온라인판에 게재됐다.

2017년 1월부터 IBS의 양자나노과학 연구단으로 자리를 옮긴 A. 하인리히 단장과 이달부터 IBM에서 연구단으로 합류한 최태영 연구위원은 대한민국 기초과학 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

1) 인텔, 삼성전자 등 글로벌 반도체 업체들은 현재 기술로는 선폭 5나노미터(1㎚=10억분의1m)를 최소 소자의 한계로 보고 있다. 2016년 인텔은 제조공정 5nm 이하 급의 소자소형화를 더 이상 추진하지 않기로 했다. 2017년 현재 인텔의 최신 CPU 제조공정의 선폭은 14nm이다.

2) 비트(bit): 디지털 신호의 최소 단위로 컴퓨터 기억장치는 모든 신호를 2진수 0과 1로 고쳐서 기억한다.

3) 홀뮴: 원자번호 67번의 희토류 원소로 자기 모멘트가 전체 원소 중 가장 크다. 의료용 레이저나 분광기의 파장 보정용 등으로 쓰인다.

4) STM은 미세한 탐침을 갖고 있는데 그 끝이 원자 한 개 크기이다. 이 탐침 덕분에 원자 단위로 관측이 가능하며, 원자를 하나씩 옮길 수 있다. 탐침 끝으로 전류를 흘려 각 원자의 스핀을 측정하거나, 전압펄스를 가해 바꿀 수 있다.

5) 원자를 구성하는 전자가 원자 내부에서 만드는 자성으로 인해 원자 외부에 생긴 자기장으로 위(up) 혹은 아래(down)의 방향성을 갖는다. 이는 명확히 구분되는 신호로 전자가 있고 없음을 뜻하는 디지털신호 '0'과 '1'로 대체가능해 이로써 1비트를 구현할 수 있다.

6) 이번 실험은 1.5K(영하 271.5℃)의 극한 환경에서 진행됐다. 연구진은 8K까지 온도가 올라가도 실험결과에 영향이 없음을 확인했다.

7) 양자컴퓨터는 0과 1의 이진법인 '비트'로 연산하는 디지털 컴퓨터와 달리, 0과 1 외에 중첩의 양자 상태도 신호로 쓰는 '큐비트' 연산을 한다. 방대한 데이터도 '양자 병렬처리'로 계산해 디지털 컴퓨터로 풀지 못하는 강력한 암호조차 풀 수 있고 최적의 분자 구조를 찾는 난해한 작업도 빠르게 수행해 신약 개발 같은 분야에서 장점을 발휘할 것으로 기대를 모으고 있다.

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최종수정일 2017-11-15 02:43