원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상(MRI) 기술이 개발됐다. 세상에서 가장 세밀한 MRI인 셈이다. 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구한 이 결과는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 이상 해상도를 높였다.

▲ 서로 다른 에너지 기준으로 측정한 티타늄 원자들의 자기공명영상 이미지 4개를 합친 사진. 설정한 에너지와 원자의 자기장이 동일한 부분이 밝게 나타난다.

자기공명영상은 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 고주파 자기장을 발생시키면 몸을 이루는 원자들의 수소 핵스핀이 공명해, 우리 눈엔 보이지 않는 신체 내부를 시각화하는 원리다. 병원의 자기공명영상 기기 촬영에는 보통 수억 개 원자 스핀*이 필요하다. 이후 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구가 이뤄졌으나, 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 또렷이 보기는 어렵다는 기술적 한계가 있었다.

연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해, 탐침과 시료 사이의 터널링 전류를 이용해 표면 원자를 보는 장비다.

연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 철 원자 1~5개로 이뤄진 ‘스핀 클러스터’를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안한 것이다. 스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠어, 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다. 한편 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 그 뒤 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 거듭했다.

▲ 자성을 띤 티타늄(적색)과 철(녹색) 원자들이 산화마그네슘 막 위에 놓여 있다. 스핀클러스터(가장 위 초록색)가 붙어 있어 자기공명영상을 측정할 수 있는 주사터널링현미경 탐침(은색)이 원자의 스핀 공명 신호를 감지한다.

그 결과, 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는 데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로, 원자 하나의 또렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다.

연구진은 이번에 개발된 기술을 사용해 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다. 제 1저자인 필립 윌케(Philip Willke) 연구위원은 “최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있다”며 “이번 자기공명영상 기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 그리고 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다”고 말했다.

교신 저자인 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장은 “병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯, 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다”며 “이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다”고 의의를 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF=22.727)에 7월 2일 오전 0시(한국시간) 온라인 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원