병원에서 사용되는 자기공명영상(MRI) 검사는 근육, 신경, 인대, 뼈의 모습을 재현해준다. MRI를 통해 우리는 눈에 보이지 않는 신체 내부의 결함을 찾아낼 수 있다. 크기가 무척이나 작은 원자의 경우는 어떨까. 일반적으로 원자의 크기는 0.0000000001m에 불과해 단일 원자 단위에서 특성을 정밀하게 파악하기 어려웠다. IBS 양자나노과학연구단은 고체 표면 위에 놓인 원자 하나하나의 내부를 관찰할 수 있는 일종의 '원자 MRI' 기술을 개발했다.

▲ IBS 양자나노과학 연구단은 MRI처럼 원자 내부를 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.

안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장 팀은 세계 최초로 고체표면 위 단일 원자의 핵스핀 측정에 성공했다. 스핀은 자성의 기본 단위로, 일부 원자의 핵은 회전하는 과정에서 위(↑)나 아래(↓) 방향의 핵스핀을 갖는다. 하지만 핵스핀이 내는 에너지는 매우 미세해 지금까지는 수백만 개의 원자들이 내놓는 신호를 토대로 원자의 핵스핀 특성을 통계적으로 유추할 뿐이었다.

연구팀은 물리학계 대표 첨단기술 두 가지를 병합해 이 문제를 해결했다. 우선 주사터널링현미경(STM)으로 원자 내부에서 일어나는 일을 살필 수 있는 '시야'를 확보했다. STM은 뾰족한 금속 탐침으로 시료를 분석해 원자 단위에서 발생하는 현상을 관찰할 수 있는 기술이다. 이후 MRI와 원리가 비슷한 전자스핀공명(ESR) 기술을 병합했다. ESR은 원자에 흐르는 전류를 토대로 핵스핀의 방향 변화를 관찰할 수 있게 해준다.

▲ 주사터널링현미경(STM)으로 시료를 관찰하고 있는 모습.

이를 통해 연구팀은 원자의 다양한 동위원소 중 핵스핀을 갖는, 즉 자성을 띠는 원자를 구별하는 데 성공했다. 동위원소는 양성자 수(원자번호)는 같지만 질량이 다른 쌍둥이 원소를 말한다. 동위원소 별로 다른 핵스핀 특성을 측정했다는 것은 양자정보 저장의 기본 단위로 사용될 수 있는 소재를 선별하는 기술을 개발했다는 의미로 해석할 수 있다.

▲ 티타늄(Ti) 원자의 위치 이동에 따른 초미세 상호작용 변화

이어 연구팀은 표면 위 원자의 위치에 따른 초미세 상호작용 변화도 관찰했다. 초미세 상호작용은 핵스핀과 전자스핀 사이 서로 밀어내거나 끌어당기는 상호작용을 말한다. 연구팀은 STM을 이용해 인형 뽑기처럼 표면 위 원자 하나를 집어 위치를 이동시켜가며 초미세 상호작용을 관찰했다. 그 결과 티타늄(Ti) 원자는 산화마그네슘(MgO) 표면 위에서 놓인 위치에 따라 초미세 상호작용이 달라짐을 확인했다. 원자의 전자기적 특성이 달라졌다는 의미다.

이번 연구는 물질의 자성에 대한 기존 물리학적 지식을 검증할 수 있는 토대를 마련했다는 학술적 의미가 크다. 다수 원자의 핵스핀을 바탕으로 쓰인 기존 자성 이론보다 원자에 대한 깊은 이해를 제시할 수 있기 때문이다.

나아가 양자컴퓨터, 초소형컴퓨터 등 차세대 정보처리장치 구현을 위한 초석을 다진 것으로도 평가된다. 차세대 정보처리장치 구현을 위해서는 정보를 저장하는 단위를 줄여야 한다. 기존의 디지털장치는 수백만 개의 원자로 구성되기 때문에 다수 원자의 특성만 파악해도 구동에 무리가 없었지만, 원자 하나가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 구현을 위해서는 개별 원자의 특성이 정밀하게 파약돼야 한다.

▲ 단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도.

특히 핵스핀은 전자스핀에 비해 스핀특성을 오래 유지한다는 점도 장점이 된다. 핵스핀의 스핀 특성을 이용하는 소자로 개발할 경우 더 안정적으로 정보를 저장하고, 연산할 수 있다는 의미다.

안드레아스 하인리히 단장은 "현존하는 물리 이론을 뛰어넘는 새로운 소재를 발굴하는 연구에 돌파구를 제시했다"며 "양자나노과학연구단은 양자컴퓨터 구현을 위한 기초연구를 계속 진행해 나갈 계획"이라고 말했다.

▲ (왼쪽부터) 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장(공동 교신저자),
필립 윌케 연구위원(제1저자), 최태영 연구위원(공동저자)

연구결과는 최고 권위의 국제학술지 '사이언스(Science, IF 41.058)'에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬