기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단은 미국 IBM 연구소와 공동연구를 통해 주사터널현미경-전자스핀공명 분광법(ESR-STM)을 이용, 양자역학적으로 상호작용하는 인공적인 원자 스핀 배열 구조를 만들고, 여러개의 원자를 서술하는 양자다체계(quantum many body system) 상태에 대한 연구 결과를 발표하였다.

▲ ESR-STM 분광법을 이용한 인공 원자 스핀 배열의 양자상태 측정 모식도 (왼쪽). 상호작용하는 2개 (오른쪽 위), 4개 (오른쪽 아래) 원자 스핀의 양자상태에 대한 개념도.

나노 기술 분야에서는 전통적으로 벌크에서 나노 구조로 축소해 나가는 하향식 (top-down) 접근 방식으로 소자를 소형화 하고 있다. 그러나 이는 원자 수 개 규모의 미시 세계에서 우세해지는 양자 효과로 인해 한계를 맞고 있다. 일부 연구자들은 원자 해상도의 주사터널현미경 (STM)을 이용하여 실제 개별 원자의 정밀한 조작을 통한 상향식 접근 방식으로 패러다임 전환을 시도하고 있다.

“개별 원자를 배치하여 인공 구조물을 만드는 것은 기술적으로 놀라운 일입니다. 나노 구조 내 개별 원자의 스핀 상태를 제어할 수 있고 이를 통해 기초 과학의 핵심인 양자 물리학에 대한 이해를 높이는데 필요한 많은 모델 실험을 수행 할 수 있는 가능성이 열립니다.” 라고 안드레아스 하인리히 연구단장은 말한다.

IBS 양자나노과학 연구단과 미국 IBM 연구소 공동 연구팀은 개별 원자를 조작해 인공 양자 스핀 배열 구조를 만들고, 주사터널현미경-전자스핀공명 분광법 을 이용한 이들 구조의 양자상태 연구 결과를 지난2 월 12일 Nature Communications에 발표했다. 이러한 스핀 배열 구조 제작과 원자를 선택적으로 측정하는 ESR은, 원자들의 결합 형태 중 하나로 고온 초전도체의 작동 원리의 미시적 모델 중 하나인 공명 원자가 결합 (RVB) 상태와 같이, 양자다체계의 핵심적인 성질에 대해 상향식 접근 방법을 제공한다. IBM알마덴 연구소의 카이 양 박사는 “이번 연구는 고도로 얽힌 양자 상태를 인공적으로 생성하고 자세히 연구할 수 있는 다목적 양자다체계 상태 연구 툴킷을 제공했습니다.” 라고 밝혔다.

양자나노과학연구단 (QNS)의 박수현 박사는 “원자-선택적 ESR-STM 분광법을 통한 양자스핀계의 원자 규모 모델 실험은 나노 스핀 과학을 탐구하는 새로운 길을 열 것입니다. 이번 연구는 스핀 액체 및 고온 초전도와 같은 흥미로운 거시적 물리 현상에 대하여 개별 원자 성질과의 연결 고리를 통한 미시적 이해를 돕는 실험적 접근일 수 있습니다. 또한 원자 단위로 잘 정의된 스핀 소자를 설계할 수 있는 상향식 접근 방식의 새로운 플랫폼을 보여줍니다.”라고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
최지원