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영화 '앤트맨' 속 그 세계, 원자의 속살을 관찰하면 일어나는 일 동전 크기 USB에 세상 모든 영화 저장! 수천 배 작아진 초소형 컴퓨터 개발!
마블 시네마틱 유니버스(MCU)의 영화 '앤트맨' 속 주인공 스캇 랭(폴 러드 役)은 특수 슈트를 이용해 몸의 크기를 자유자재로 조절하는 능력이 있습니다. 개민만큼 작아진 몸으로 빌런(악당)과 싸우곤 하는데요. 심지어는 몸의 크기를 끝없이 줄여 원자보다 더 작은 세계, '양자 영역'에 들어서기도 합니다. 사진 : 월트디즈니 컴퍼니 코리아
양자 영역은 원자 혹은 그보다 작은 쿼크, 핵자 등 미시 세계를 다루는 체계입니다. 종류에 따라 다르지만 원자의 크기는 약 0.0000000001m. 과학의 발전에도 크기가 매우 작은 양자 영역에 속하는 원자의 속살을 들여다 볼 기술들이 최근에 개발되고 있습니다.
이에 발맞추어 최근 놀라운 연구결과가 발표됐습니다. * Science(18.10.19) doi : 10.1126/science.aat7047 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 연구진이 미국 IBS 알마덴 연구소와 공동으로 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 검사하듯 고체 표면 위에 놓인 원자를 하나하나 정밀 검사할 수 있는 기술을 개발한 것입니다.
연구진이 측정에 성공한 자성의 기본 단위인 스핀. 일부 원자핵은 회전하는 과정에서 위(↑)나 아래(↓) 방향의 핵스핀을 갖습니다. 하지만 이 핵스핀이 내는 에너지는 매우 미세해 지금까지는 수백만 개 원자들이 내는 신호를 측정할 뿐이었죠.
이번 연구는 고체 표면 위 단일 원자의 핵스핀을 측정한 세계 최초의 사례입니다. 과학계는 이번 연구가 원자 하나가 저장장치이자, 회로가 되는 차세대 정보처리장치 개발을 위한 초석을 다졌다고 평가합니다.
원자의 속살을 관찰하면 어떤 일이 벌어질까요? 우선 스핀의 방향(↑, ↓)을 토대로 정보를 읽고 쓰는 '스핀트로닉스' 소자를 개발할 수 있습니다. 스핀의 방향으로 '0'과 '1'의 디지털 신호를 인지하는 것인데요. 원자들을 하나씩 따로 볼 수 있으면 기존보다 수천 배 작으면서도 전력을 적게 쓰는 장치 개발이 가능합니다.
어쩌면 동전 크기의 USB 메모리에 현재까지 상영된 전 세계의 모든 영화를 담을 수도 있겠죠. IBS 양자나노과학 연구단은 홀뮴(Ho) 원자 메모리를 개발해, 그 가능성을 확인했습니다. * Nature(17.03.09) doi : 10.1038/nature21371 상용 메모리칩은 1비트 구현에 10만 개의 원자가 필요하지만 연구단이 개발한 원자 메모리는 단 하나의 원자로 1비트를 안정적으로 읽고 쓸 수 있었습니다. * 영하 27도 극저온 환경
자기장의 미세한 변화도 감지할 수 있는 양자의 특성을 활용하면 초정밀 센서를 개발할 수도 있습니다. 양자 센서는 원자단위의 미시세계에서 생체분자들의 구조분석에 활용될 수 있을뿐더러, 원자 단위 스핀트로닉스 소자의 개발에 활용될 수 있습니다.
원자의 속살, 그 속의 양자역학이 만들어 낼 세상이 놀랍지 않으신가요! "양자역학은 우리 주변의 세계에 대해 '고전적(classical)'인 경험으로는 이해하기 어려운 문제들에 대해 완벽한 설명을 제공해 온 놀라운 이론이다." - 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장

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