《먼 미래의 어느 날, 괴행성이 빠른 속도로 지구로 다가오는 상황. 핵폭탄도 무용지물인 괴행성을 제거하기 위해 정부는 5개의 원소를 모으기 시작한다. 흙, 바람, 물, 불의 4개 원소가 모이고, 이어 제5원소가 힘을 발휘해 행성을 폭파시킨다. 1997년 개봉한 브루스 윌리스 주연의 영화 ‘제5원소’의 줄거리다. 안드레이 마틀라쇼브 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 연구위원은 제5원소를 개발하기 위한 연구에 일생을 바쳤다. 그의 최종목표가 괴행성 제거는 당연히 아니다. 그는 현재 연구단에서 암흑물질을 발견하기 위한 장비를 개발하고 있다.》

IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 안드레이 마틀라쇼브 연구위원.

● 뇌와 우주의 교집합엔 ‘스퀴드’가 있다

“박사학위 취득 이후 약 30년 동안 저는 ‘스퀴드(SQUID·초전도양자간섭소자)’라는 장비로 미지의 세계인 뇌를 탐구하는 생체자기(Biomagnetism) 분야 연구를 진행했습니다. IBS로 소속을 옮긴 후엔 스퀴드로 액시온(Axion)을 탐지하려 하고 있죠. 제 인생은 그때도 지금도 스퀴드 뿐입니다.”

▲ 안드레이 마틀라쇼브 연구위원이 스퀴드 센서를 검출기에 장착하고 있다.

‘우주의 기원’과 ‘인간의 뇌’는 생명의 기원과 함께 우주의 3대 신비로 꼽힌다. 인간은 일생동안 뇌의 고작 10%만을 사용하며, 온 우주에서 우리가 알고 있는 물질이 차지하는 비중은 채 5%가 되지 않는다. 아직 풀어내야 할 미스터리가 무궁무진하다는 이야기다.

안드레이 마틀라쇼브(Andrei Matlashov) 연구위원은 이런 우주의 신비를 풀기 위해 온 연구인생을 바쳤다. 그의 박사학위 연구 분야인 ‘생체자기’는 심장과 뇌 등 인간의 장기에서 자연적으로 발생하는 미세한 자기장을 의미한다. 그는 이 자기장 신호를 다른 반도체 기계가 인식할 수 있을 정도로 키우는 ‘스퀴드 증폭기’를 개발하는 연구를 수행했다. 증폭된 자기장 신호를 다시 해석하면 비접촉적인 방식으로 뇌나 심장의 상태를 진단할 수 있다.

그런 그가 연고도 없는 한국으로 온 이유는 그가 일생을 바쳐 개발한 다양한 유형의 스퀴드 장비들을 첨단과학(frontier science)에 적용해보고 싶었기 때문이다. 마틀라쇼브 연구위원은 “스퀴드를 다루는 분야 자체가 많지 않기 때문에, 스퀴드 전문가를 필요로 하는 곳 역시 한정적”이라며 “우주의 기원을 파헤친다는 매력적인 연구 주제, 그리고 스퀴드에 대한 애정이 자연스럽게 나를 이곳으로 오게 만들었다”고 말했다.

● 스퀴드는 액시온 탐사스토리의 ‘제5원소’

▲ 마틀라쇼브 연구위원의 연구인생은 스퀴드로 시작해 현재도 스퀴드다. 그리고 그는 그가 만든 스퀴드 센서로 한국에서 액시온을 탐색하는 것을 연구인생의 최종목표로 삼았다.

연구단이 찾고자 하는 액시온(Axion)은 암흑물질의 유력 후보다. 암흑물질은 우주의 약 27%에 해당할 것으로 예상되는 미지의 물질이다. 천문학적 증거를 토대로 암흑물질의 존재는 인정받았지만, 아직까지 실체를 드러낸 적은 없다. 유력후보인 액시온은 질량이 가볍고, 다른 물질과 매우 약한 상호작용만 할 것으로 추정하고 있다.

이 액시온을 찾아내기 위해서는 우선 강력한 자기장이 필요하다. 이 자기장을 액시온이 통과할 경우 액시온이 가진 전자기파가 광(光)자의 형태로 바뀐다. 스퀴드 증폭기는 이 과정에서 액시온의 전자기파를 증폭시키는 역할을 한다. 다른 우주선(cosmic ray)의 신호는 최대한 없애면서, 액시온의 신호만을 증폭시켜 반도체 기기로 전달하는 것이 스퀴드의 역할이다.

“액시온을 발견하기 위해서는 완벽한 차폐환경과 낮은 진동수, 강력한 자기장, 퀄리티팩터가 높은 공진기 그리고 100mK(밀리켈빈) 이하의 극저온 환경이 필요합니다. 이 네 가지 요소가 갖춰진 상태에서 스퀴드가 액시온의 신호를 키우는 핵심적인 역할을 하죠. 마치 공상과학영화에 등장했던 ‘제5원소’처럼.”

마틀라쇼브 연구위원은 스퀴드를 거치기 이전 액시온의 신호를 ‘지구에서 휴대전화를 사용할 때의 전자파를 화성에서 관찰하는 정도’라고 비유했다. 그만큼 미세해 특별한 장비 없이는 포착 자체가 어렵다는 의미다.

문제는 한 가지 유형의 스퀴드 장비로는 액시온 탐색이 불가능에 가깝다. 아직까지 액시온의 주파수가 명확하게 밝혀진 바 없기 때문이다. 이론적으로 좁힌 액시온의 주파수 만해도 수십 메가헤르츠(MHz)에서 수백 기가헤르츠(GHz)에 달한다. 이 광대한 범위를 모두 아우를 수 있는 스퀴드 장비는 없다. 마틀라쇼브 연구위원은 국내외 연구진과의 공동연구를 통해 여러 종류의 스퀴드를 개발하고 있는 이유다.

● 양자컴퓨터의 핵심 기술로 암흑물질 찾는다

▲ IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단이 국내외 공동연구를 통해 개발한 두 종류의 스퀴드 센서. MSA(왼쪽) 한국표준과학연구원과 함께, JPA(오른쪽)는 일본 도쿄대와 함께 개발했다.

액시온 및 극한상호작용 연구단은 현재 한국표준과학연구원과 공동 개발한 ‘마이크로스트립 스퀴드 증폭기(MSA·Microstrip SQUID Amplifier)’를 액시온 검출장비에 장착했다. 그리고 현재는 일본 도쿄대와 함께 더 높은 주파수 영역대를 탐색할 수 있는 ‘요셉슨 파라메트릭 증폭기(JPA·Josephson Parametric Amplifier)’를 개발하고 있다.

MSA와 JPA를 이용하면 500MHz에서 5GHz 영역대의 신호를 포착할 수 있고, 연구진은 이를 개선해 10GHz 영역 대까지 확대 적용할 계획이다. 하지만 만약 10GHz 이하 주파수에서 액시온의 신호가 포착되지 않는다면 지금의 기술에서 한 단계 더 진보된 양자 기술을 접목해 더 높은 영역을 탐색해야 한다. 연구진은 이 기술을 ‘퀀터 카운터(Quanta Counters)’라 부른다.

마틀라쇼브 연구위원은 “이 기술 개발에 성공한다면, 액시온 및 극한상호작용 연구단은 현재 액시온 분야 선도 연구그룹인 미국의 ADMX와 동등한 연구 수준을 넘어 더 높은 연구 수준에 도달할 것”이라며 “ADMX 팀은 30년 전부터 연구를 시작했지만 우리 연구단은 고작 출범한지 5년 밖에 되지 않았다는 점을 고려하면 대단한 성장”이라고 말했다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬