▲ 2018 미국물리학회 춘계학술 대회'에서
안드레아스 하인리히 단장(양자나노과학 연구단)과 로저 팰컨스 미국물리학회장

기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장(이화여자대학교 석좌교수)이 미국물리학회(American Physical Society, APS)의 조셉키슬리상(Joseph F. Keithley Award for Advances in Measurement Science) 수상자로 선정됐다. 선정위원회는 하인리히 단장이 최첨단 주사 탐침 실험 장치를 개발해 계측분석 과학 분야에서 선구적인 역할을 한 공로를 높이 샀다.¹⁾ 특히 하인리인 단장은 원자 단위로 양자스핀을 제어할 수 있는 비탄성 전자 터널링 분광법(inelastic electron tunneling spectroscopy)을 개발하는 등 세계 최고 수준의 연구를 수행하고 있다.

하인리히 단장은 고체 계에서 원자 수준으로 양자역학적 효과를 제어하는 분야에서 세계 최고 권위자이다. 하인리히 단장은 원자 하나 크기의 미세탐침이 끝에 달린 현미경인 주사터널링현미경(STM)을 이용해 표면 위에 놓인 원자 및 나노구조물에서 나타나는 전자의 들뜸 현상과 개별 원자의 스핀공명 조작 분야에서 선구적인 연구를 이어오며 세계적인 관심을 받아왔다.

2017년 하인리히 단장 연구팀은 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다.²⁾ 현재 상용화된 메모리는 1비트 구현에 약 십만 개의 원자가 필요하다. 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자는 위(up)와 아래(down) 방향 중 하나의 스핀(원자 내 전자의 양자역학적인 자성)을 갖는다. 각 스핀의 상태에 따라 전류 크기가 서로 달라 STM으로 전류를 측정하면 원자의 스핀을 읽을 수 있다. 만약 STM 탐침으로 홀뮴 원자에 전압을 가하면 홀뮴 원자의 스핀이 반대로 바뀌는데, 이는 각각 1비트의 디지털신호 '0'과 '1'을 홀뮴 원자 하나로 저장하는 셈이 된다. 이번 성과는 하인리히 단장이 IBM 재직시절 주도했으며, 사실상 세상에서 가장 작은 메모리 저장매체라는 점에서 그 의의가 크다.

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. 이 영상은 기네스북에 세계에서 가장 작은 영화로 등재되었다.

가장 최근 성과로 하인리히 단장은 단일 원자의 스핀이 가지는 양자역학적인 상태가 소실하게 되는 과정을 실험적으로 확인했다.³⁾ 양자컴퓨터는 여러 가지 상태가 동시에 하나의 입자에서 나타나는 양자역학적 성질인 '중첩' 현상을 이용한다. 하지만 시간이 지나면서 중첩 상태는 사라지게 되어, 양자 컴퓨팅 개발에 걸림돌이 되어왔다. 연구진은 IBM 알마덴 연구소와 공동연구를 진행해 STM 탐침으로 원자에 전압을 가하는 자극만으로도 중첩 현상이 사라지는 것을 실험적으로 규명했다.

또한, 연구진은 자성을 띄는 STM 탐침에서 발생하는 자기장을 조절하여 중첩 현상이 유지되는 시간을 제어할 수 있다는 것도 확인했다. 해당 연구는 원자 단위의 정밀함으로 양자적 특성을 제어할 수 있는 기술로 이어져 최첨단 양자관련 기기 개발에 기여할 것으로 기대된다.

하인리히 단장은 1998년 궤팅겐대학교에서 박사학위를 받았으며 미국 산호세에 위치한 IBM 알마덴 연구소에서 18년 간 연구경력을 쌓은 뒤, 2017년 IBS 양자나노과학 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 2018년 3월 5일 미국 캘리포니아 로스앤젤레스에서 열린 '2018 미국물리학회 춘계 학술대회'에서 진행됐다. 하인리히 단장은 “양자나노과학 연구단에 참여하고 있는 모든 연구진과 지금까지 함께해왔던 동료 과학자들이 있어 이번 상을 수상하게 되었다. 순수 학문적 관점은 물론 정보 산업 분야에서 결정적으로 중요함에도 불구하고 아직 이해가 미흡한 연구 분야인 고체 계의 양자역학적 효과에 대한 연구를 지속해 더 혁신적인 발견을 이어가겠다.”라고 수상 소감을 밝혔다.

IBS 커뮤니케이션팀
김다희