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제목 원자 안의 양자세계 규명한다
작성자 커뮤니케이션팀 등록일 2018-08-17 조회 1119
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원자 안의 양자세계 규명한다

- 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단 단장(이화여대 석좌교수) -


미국의 선구적인 물리학자 리처드 파언만은 인간의 모든 정보가 아주 작은 세포 하나 속에 있는 사슬 모양의 DNA에 담겨 있듯이, 브리태니커 백과사전 24권의 모든 내용을 하나의 핀 머리에 기록할 수 있다며 나노기술의 무한한 가능성을 예견했다. 또한 파인만은 인간이 원칙적으로 개개의 원자를 하나하나 우리가 원하는 방식으로 배얼할 수 있는 나노기술을 개발할 수 있고, 이를 통해 원자 단위의 화학적 합성이 가능할 것이라고 제한했다. 그의 예견대로 오늘날 나노기술의 발전은 그 한계를 알 수 없을 정도로 커다란 변화를 가져왔으며 나노세계에 대한 탐구는 계속되고 있다. 하지만 나노세계는 고전역학과는 상이하고 난해한 양자역학의 지배를 받기 때문에 연구하기 쉽지 않다. 예를 들어 원자의 구성요소 중 하나인 전자는 그 질량이 너무 작아 외부(빛)와 상호작용을 하면 위치가 계속 바뀌게 된다. 즉, 전자는 양자역학의 확률을 갖고 동시에 여기저기 존재할 수 있다. 양자나노과학 연구단을 이끌고 있는 안드레아스 하인리히 이화여대 석좌교수는 주사터널링현미경(STM)의 성능을 개선해 표면 위 원자의 양자역학적 성질을 연구해 온 선구자이다. 이화여대에 자리한 양자나노과학 연구단은 표면 위의 원자를 이용해 양자계산의 실현가능성을 규명하고자 한다. 내년 3월 새로운 연구동 건물의 준공을 앞두고 있는 양자나노과학 연구단의 하인리히 단장을 만나 양자나노과학의 신비와 가능성에 대해 들어봤다.

파인만 상, 조셉키슬리상 잇달아 수상

"10년 이상 연구한 성과를 국제 과학계로부터 인정받은 것이라 생각합니다. 한국에서도 이와 비슷한 업적을 낼 수 있도록 하겠습니다."

최근 안드레아스 하인리히 단장은 미국 포어사이트 연구소로부터 '2018 파인만 상'을, 미국물리학회로부터 '조셉키슬리상'을 잇달아 수상했다. 1986년에 설립된 포어사이트 연구소는 나노기술분야에서 가장 오래되고 규모가 큰 공익단체이자 싱크탱크인데, 1993년부터 리처드 파인만의 이름을 딴 '파인만 상'을 나노기술 분야에서 혁신적인 연구성과를 거둔 연구자에게 수여해 왔다. 선정위원회는 표면 위에 놓인 원자나 분자를 제어해 저장매체 및 컴퓨터 연산 기술을 진일보시킨 공로를 인정해 하인리히 단장을 IBM 연구소의 크리스토퍼 러츠 박사와 함께 '2018 파인만 상' 수상자로 결정했다.


▲ 안드레아스 하인리히 단장이 미국 포어사이트 연구소로부터 받은 '2018 파인만 상'을 가리키며 웃고 있다.

또한 미국물리학회는 최첨단 주사탐침 실험장치를 개발해 계측분석과학 분야에서 선구적인 역할을 한 공로를 높이 평가해 하인리히 단장을 조셉키슬리상 수상자로 선정했다. 특히 하인리히 단장은 원자 단위로 양자 스핀을 제어할 수 있는 '비탄성 전자 터널링 분광법 (IETS)'을 개발했다. 이 기술은 그가 15년 전에 개발해 세계적으로 많이 사용되고 있다. 보통 도체, 부도체, 초전도체를 비롯한 각종 물질 표면에서 원자를 관찰하는 데 주사터널링현미경(STM)을 사용한다. 하지만 탐침에 전류를 흘려서 원자의 성질을 측정하고 파악하는 STM으로는 전자의 스핀(양자 상태)을 측정하기 힘들다. 그래서 개발한 새로운 측정기술이 바로 IETS이다. 하인리히 단장은 "STM 탐침에서 전류가 흘러서 전자의 스핀 상태가 바뀔 때 얼마만큼의 에너지가 소실되는지를 파악해 원자 스핀의 에너지(양자 상태) 값을 측정한다"며 "개별 원자의 양자 상태뿐 아니라 원자들 간의 상호작용도 측정할 수 있다”고 설명했다. 최근에는 IETS의 측정기술을 바탕으로 해 전자스핀공명이라는 방법을 STM과 접목했고, 스핀 에너지의 분광 분해능을 1000배 이상 높이는 데 성공했다. 이를 이용해 표면 위에 놓인 원자 및 나노구조물에서 나타나는 전자의 들뜬 상태를 측정하고, 전자의 들뜬 상태와 바닥 상태를 구별함으로써 원자를 저장매체로 응용할 수 있음을 보여주었다.

소년 시절 호기심, IBM 연구소 연구로 이어져

하인리히 단장은 어렸을 때부터 기기를 분해하는 데 관심이 많았다. 그 기기 안에 뭐가 들었는 지, 기기가 어떻게 작동하는지 궁금했기 때문이다. 기기에 대한 그의 호기심은 대학에서 자연 과 사물을 탐구하는 물리학 전공으로 이어졌다. 독일 괴팅겐대학교에서 고체물리학으로 박사 학위를 받은 뒤에는 주사터널링현미경(STM)이란 기기 분야에서 최고 수준인 IBM 알마덴 연구 소에서 박사후 연구원으로 근무하게 됐다.


▲ 하인리히 단장은 IBM 알마덴 연구소에서 18년간 주사터널링현미경(STM)을 활용해 표면 위의 원자나 분자를 제어하는 연구를 했다. 사진은 IBM 알마덴 연구소에서 실험장비와 함께한 모습.

그의 멘토는 IBM 알마덴 연구소에서 근무했던 도널드 아이글러 박사였다. 아이글러 박사는 기존의 STM을 한 단계 더 발전시켜 저온에서 작동하도록 개발해 해상도를 높였으며, 처음으로 니켈 금속 표면 위에서 크세논 원자 하나하나를 움직여 IBM이라는 글자를 쓰기도 했다.

IBM 알마덴 연구소에서 하인리히 단장은 표면 위의 원자 상태를 연구하면서 저온, 고자기장 상태에서 작동하는 새로운 연구장비를 개발하는 임무를 맡았다. 그리고 장비를 개량하면서 아 무도 하지 못했던 새로운 연구를 수행했다. 예를 들어 2002년 하인리히 단장은 아이글러 박사 와 함께 극저온에서 구리판 위에 일산화탄소 분자를 배치한 극소형 회로를 만들어 <사이언스>에 발표했다. 이 분자 회로에서는 STM의 탐침으로 일부 분자를 움직이면 도미노처럼 단계적으로 충돌을 일으켜서 분자들의 최종적인 위치가 연산의 결과로 나오는 식이다. 이는 표면위에 놓인 각 분자의 위치가 데이터로 인식되고 처리되는 기술이다.

2015년 하인리히 단장은 IBM 연구소의 크리스토퍼 러츠 박사와 함께 STM에 전자스핀공명 (ESR) 측정 기술을 구현해 에너지 분해능을 크게 높였다. 이전까지는 에너지 분해능이 낮아 전자의 바닥 상태와 들뜬 상태의 차이를 직접 측정할 수 없었지만, 이 연구성과로 O과 1 값을 측정할 수 있게 됐다. 이 연구성과는 기존에 연구된 다른 양자비트(양자컴퓨터 정보단위로 큐비트라고도 함)들과 상호 보완할 수 있는 새로운 형태의 양자비트 개발의 중요한 기초라는 평가를 받았다. 하인리히 단장은 IBM 알마덴 연구소에서 18년간 연구하면서 <사이언스>, <네이처>에 10여 편의 논문을 발표했다.

세상에서 가장 작은 메모리 구현해

전산소자를 소형화하고 전력소비를 줄이려면 1비트를 얼마나 작은 매체에 저장하느냐가 관건이다. 자성 물질을 이용하는 하드디스크 드라이브 같은 저장매체도 소형화하는 것이 중요하다. 2012년 하인리히 단장은 IBM 알마덴 연구소에서 12개의 철 원자만으로 구성된 나노구조물의 자성 특성이 수 시간 동안 유지되는 자기 비트(magnetic bit)를 구현했다. 하인리히 단장은 양자과학 자체가 접근하기 힘든 분야이기 때문에 당시의 연구결과에서 더 발전하기 힘들 것이라고 생각했다. 그런데 스위스 연구그룹이 다른 방법으로 홀뮴 원자 하나가 한 번 형성된 스핀(원자 내 전자의 양자역학적 자성)을 오랫동안 지속할 수 있다는 연구결과를 발표했다. 하인리히 단장은 스위스 연구그룹의 연구결과를 실험으로 확인하는 한편, 2017년에 이보다 더 발전된 연구성과를 <네이처>에 발표했다. 즉, 홀뮴 원자 한 개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는데 성공한 것이다. 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자는 위 또는 아래 방향의 스핀을 갖는데, 이는 O과 1이라는 디지털신호로 대체할 수 있어 1비트를 구현할 수 있다. 스핀의 방향에 따라 전류가 다르므로 STM으로 전류를 측정해 원자의 스핀을 읽을 수 있고, STM 탐침으로 원자에 전압 펄스를 가하면 원자의 스핀이 반대로 바뀐다. 현재 상용화된 메모리는 1비트를 구현하는 데 10만 개 정도의 원자가 필요한데, 원자 하나로 1비 트를 구현했으니, 하인리히 단장은 세상에서 가장 작은 메모리(저장 매체)를 내놓았다는 평가를 받았다.


발표 당시 하인리히 단장은 "홀뮴 원자들이 근접해도 스핀에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났는데, 그 이유를 규명하고 좀 더 높은 온도에서 재현하는 것이 다음 목표"라며 "두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어가 가능하도록 추가적인 연구가 뒷받침된다면 양자컴퓨팅을 위한 큐비트를 만들 수 있을 것"이라고 밝혔다. 현재 양자컴퓨팅의 기반이 되는 소재에 대한 연구는 시작단계이다.

이번 인터뷰에서 하인리히 단장은 양자컴퓨터라는 응용보다 기초과학에 초점을 두겠다는 점을 강조했다. "앞으로는 원자 안의 양자 상태를 규명하는 것에 좀 더 집중하고 싶습니다. 그런 연구를 통해 양자컴퓨터, 양자정보 등에 관련된 성과로 이어질 수 있겠죠. 이렇게 응용될 수 있는데, 기본적으로 기초과학 연구라는 IBS 연구단의 본분을 잊지 않으려 합니다. 응용 쪽보다 기초과학 분야 쪽에서 한계를 파악하고 그에 대한 해결책을 찾는 식으로 기초과학에 중점을 두고자 합니다. 아직 구체적인 답은 모르겠지만 계속 관심을 갖고 연구할 계획입니다." 양자나노과학 연구단은 표면과 계면에서의 원자 단위 양자 효과를 제어하는 분야에서 세계 최고 수준의 연구를 수행하고 있다.

'소년과 그의 원자'에서 '이대'까지 애니메이션 제작

하인리히 단장은 과학계뿐만 아니라 일반 대중에게도 이름이 알려져 있다. 2013년 세상에서 가장 작은 스톱모션 애니메이션 '소년과 그의 원자(A Boy and His Atom)'를 제작해 칸 국제광고제에서 황금사자상을 받기도 했기 때문이다. 하인리히 단장과 IBM 연구원들은 구리 기판 위에 있는 일산화탄소 분자 65개를 STM으로 일일이 옮겨가며 242개의 영상 프레임을 만들었다. 하인리히 단장은 "IBM이 '왜 기초과학을 하는가?'를 보여주고 젊은 세대에게 좋은 이미지를 전하기 위해 회사 마케팅 차원에서 제작한 작품"이라며 "4명의 연구자가 팀을 이루어 10일간 밤새가며 열심히 재있게 만들었다"고 설명했다. 하인리히 단장은 "개인적으로도 대중과 소통하는 것을 좋아해 과학이 정말로 재밌다는 것을 보여주려고 더 열심히 만들었다"고 덧붙였다.

또 다른 작품을 만들 생각이 없는지 묻자 양자나노과학 연구단의 미셸 랜들 운영단장은 "이화 여대에 자리한 연구단에서도 유튜브 채널을 운영하고 있다"며 "스톱모션 애니메이션 '소년과 그의 원자'와 비슷하게 이대라는 글자를 갖고 동영상을 제작할 계획"이라고 밝혔다. 연구단 유튜브 채널은 이대생뿐 아니라 일반인이 과학, 연구단의 연구분야에 관심을 갖도록 과학에 관련된 콘텐츠를 재밌게 비디오로 만들어 올리고 있다. 여기에는 독일에서 과학자가 대중을 상대로 소통하는 방식을 겨루는 콘테스트에서 스탠드업 코미디로 2등을 했던 과학자가 참여하고 있다.


▲ 양자나노과학 연구단의 미셸 랜들 운영단장과 함께 실험장비 앞에서 포즈를 취한 하인리히 단장.
두 사람은 부부로서 양자나노과학 연구단에서 중추적 역할을 하고 있다.

양자나노과학 연구단은 홍보 동영상을 제작하거나 대중 참여 행사를 개최하며 대중 홍보를 중요시하고 있다. '2018 양자나노과학에 대한 예술 공모전(2018 Art Competition: The Art of Quantum Nanoscience)'을 계획하고 있는 것이 좋은 예이다. 랜들 운영단장은 "창의력의 필요, 도구의 사용, 사물에 대한 이해라는 점이 기초과학자와 예술가의 공통점"이라며 "장기적으로는 싱가포르 양자기술센터(Center for Quantum Technology)의 프로그램을 벤치마킹해 아티스트 레지던스 프로그램을 개발하고 싶다"고 말했다.

'2018 양자나노과학에 대한 예술 공모전'은 그냥 작품을 제출하는 것이 아니라 연구단과 교류하면서 참가자들에게 아이디어를 전파하며 대중과 소통하는 방식으로 운영된다. 사전 등록 단계에서 참가자들이 연구자를 만나 양자나노과학에 대한 설명을 듣고 서로 이야기하면서 아이디어도 얻으며 좀 더 창의력을 발휘할 수 있도록 시간을 갖게 된다. 내년에 심사를 거쳐 선정된 작품은 새로운 연구동 건물에 설치하고 전시할 계획이다. 전시관도 따로 만들 예정이라고 한다.

연구단에서 '할아버지 역할'하고 싶어

현재 이화여대에는 양자나노과학 연구단의 새로운 연구동이 건설되고 있는데, 내년 3월 준공 예정이다. 이곳에 주사터널링현미경(STM)을 비롯해 다양한 시스템이 들어서게 된다. 하인리히 단장은 "10개 정도의 시스템을 갖출 계획"이라며 "이를 통해 어떤 환경에서 원자를 원하는 상 태로 조절할 수 있는지를 연구할 것"이라고 설명했다. 그중에는 저온에서 레이저를 이용해 원 자를 조절하는 환경을 만드는 시스템, 고주파를 이용해 이런 상태를 조절하는 시스템 등이 있 다. 하인리히 단장은 "그동안 장비의 정확성을 높여서 좋은 연구성과를 거둬 왔는데, 장비의 정확성을 더 높이며 지금까지 설명되지 않았던 것을 탐구하고 싶다"고 밝혔다.


▲ 내년 3월 준공 예정인 양자나노과학 연구단의 새로운 연구동에 대한 조감도.
실험장비가 들어서는 건물 옥상에는 연구자들이 함께 모일 수 있는 야외 공간이 마련돼 있다.

또한 하인리히 단장은 "필요한 사양에 맞춰서 상용장비도 들여오지만, 연구단 자체에서 필요한 기능을 추가해 제작하려 한다"며 "필요한 것을 추가하면서 기존 장비를 사용하면 효율적"이라 고 말했다. 연구자라도 장비를 사용할 수 있어야 하니까 관련 기술도 익혀야 한다는 것이 하인리히 단장의 지론이다. 양자나노과학 연구단에는 엔지니어 스태프가 2명이 있다.

IBM 알마덴 연구소에서 4~5명의 연구자로 구성된 작은 그룹을 이끌며 가족처럼 매우 친하게 지냈던 하인리히 단장은 사람과의 관계(connection)를 중요시한다. "IBS 양자나노과학 연구단에서는 단장으로서 '할아버지 역할'을 하고 싶습니다. 개인적으로 연구 노하우를 전수할 뿐만 아니라 형식적인 미팅을 하기보다 연구원들이 작은 유닛의 연구그룹으로 가족처럼 시간을 보내고 연구할 수 있는 분위기가 조성된다면 연구단이 성공한 것이라고 생각합니다".

양자나노과학 연구단은 한국과 세계를 연결하는 것이 중요하다고 본다. 하인리히 단장은 "과거에 한국인이 외국으로 많이 나갔지만 이제는 외국인들이 한국으로 와서 연구할 때가 됐다"며 "IBS 연구단이 한국 연구계에서 그런 역할을 하고 있다"고 말했다. 양자나노과학 연구단은 독일, 이탈리아, 스위스, 네덜란드, 프랑스, 미국, 홍콩, 싱가포르, 중국, 일본 등 여러 국가에 있는 양자나노과학 관련 연구단과 협력해 인력 교류, 공동연구 등을 진행하고 있다. 오는 9월 양자나노과학 연구단은 8명의 전문가를 초대해서 워크숍을 열고, 양자나노과학 연구 분야에 대한 컨설팅도 받을 계획이다.

특히 하인리히 단장은 차세대 젊은 연구자의 양성을 중요하게 생각한다. "한국인뿐만 아니라 다른 나라 출신이라도 양자나노과학 연구단에서 양성하는 것이 중요합니다. 양성된 연구진이 전 세계에서 활동하고 10년쯤 뒤에 한국인과 외국인이 함께 연구자 파티를 하면서 이야기하는 것을 꿈꾸고 있습니다."

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커뮤니케이션팀 : 백서윤   042-878-8238
최종수정일 2019-01-22 18:15