기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 교수) 연구진은 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.

• 원자의 핵스핀¹⁾이 내는 에너지는 매우 약해서, 지금까지는 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었다.
• 이번에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합하여 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높여서, 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정할 수 있었다.
• 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 사이언스(Science, IF 41.058)誌 온라인 판에 10월 19일 3시(한국시간)에 게재되었다고 밝혔다.

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)²⁾과 전자스핀공명(ESR)³⁾ 기술을 결합해 단일원자의 핵스핀 측정에 성공하여, 하나의 원자가 정보를 오랫동안 저장하는 메모리 단위로 쓰일 수 있다는 가능성을 확인했다.
• 또한, 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 양자정보를 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.

그림설명

▲ [그림 1] 단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도연구진은 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 2] 산화마그네슘 표면 위 철 원자를 관찰하는 모습표면 위에 놓인 철(Fe) 원자를 주사터널링현미경(STM)으로 관찰하는 모습이다. 연구에는 미국 IBM 알마덴연구소가 보유한 STM이 사용됐다.

▲ [그림 3] 철 동위원소의 전자스핀공명 스펙트럼철-56(왼쪽)과 철-57(오른쪽)의 주사터널링현미경 이미지와 전자스핀공명(ESR) 스펙트럼 측정 결과. 대부분의 철 원자는 핵스핀이 없어 ESR 스펙트럼에 하나의 피크를 보여준다. 그러나 일부 철 원자(철-57)는 핵스핀을 가지고, 전자스핀과 핵스핀의 상대적인 정렬에 따라 스펙트럼에는 두 개의 피크가 나타난다.

▲ [그림 4] 티타늄 동위원소의 전자스핀공명 스펙트럼산화마그네슘(MgO) 표면 위에 놓인 티타늄(Ti) 원자의 전자스핀공명 스펙트럼. 티타늄 원자 중 티타늄-47과 티타늄-49는 철 원자 보다 더 큰 핵스핀 상태를 가지는 것으로 알려져 있다. 티타늄-47은 6개, 티타늄-49는 8개의 핵스핀 양자상태가 가능하고, 실제실험 결과 ESR 스펙트럼에도 각각 6개와 8개의 피크가 관찰됐다.

▲ [그림 5] 티타늄 원자의 위치 변화에 따른 초미세 상호작용 변화연구진은 주사터널링현미경의 금속 탐침을 이용해 산화마그네슘 표면 위 티타늄-47의 위치를 이동시키며 전자스핀공명 스펙트럼을 측정했다. 산화마그네슘 표면 위에 티타늄 원자가 마그네슘과 마그네슘, 산소와 산소가 맞닿는 경계 지역에 놓인 경우(Ti_B, 맨 왼쪽, 맨 오른쪽)와 산소 원자의 위에 놓인 경우(Ti_O, 가운데)에 따라 원자의 전자구조가 달라지고, 이를 초미세 상호작용을 이용하여 측정할 수 있었다.

▲ [그림 6] 본 연구에 참여한 IBS 양자나노과학 연구단 연구진기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 연구진. 왼쪽부터 공동 교신 저자인 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 물리학과 석좌교수), 제1저자인 필립 윌케 연구위원(이화여대 물리학과 박사후 연구원), 공동 저자인 최태영 연구위원(이화여대 물리학과 조교수).