기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 교수) 연구진은 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다.
원자의 핵스핀*이 내는 에너지는 매우 약해서, 지금까지는 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었다.
* 핵스핀 : 스핀은 자성의 기본단위를 말한다. 자성을 갖는 원자핵은 일종의 막대자석에 비유할 수 있다. 자전하며 위(↑)나 아래(↓)로 자기장을 형성한다.
이번에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합하여 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높여서, 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정할 수 있었다.
과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 사이언스(Science, IF 41.058)誌 온라인 판에 10월 19일 3시(한국시간)에 게재되었다고 밝혔다.
양자컴퓨터, 초소형컴퓨터 등 차세대 정보처리장치 구현을 위해서는 정보를 저장하는 단위를 줄여야한다. 핵스핀은 유력 초소형 메모리 후보지만, 아직까지 정확한 특성이 밝혀지지 않았다.
이번에 연구진은 주사터널링현미경(STM)*과 전자스핀공명(ESR)*** 기술을 결합해 단일원자의 핵스핀 측정에 성공하여, 하나의 원자가 정보를 오랫동안 저장하는 메모리 단위로 쓰일 수 있다는 가능성을 확인했다.
* STM : 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰할 수 있는 기술로, 인형 뽑기처럼 원자 하나를 집어 위치를 이동시키는 것도 가능하다.
** ESR : 원자핵의 스핀과 전자스핀 사이 서로 밀어내거나 끌어당기는 상호작용으로 원자의 자기적 특성에 영향을 준다.
또한, 연구진은 고체 기판 위 원자가 놓인 위치에 따라 소자의 전자기적 특성이 달라짐을 확인했다. 이는 향후 개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 설계에 핵심원리로 사용될 수 있다.
이번 연구성과는 향후 양자정보를 저장하고 연산하는 양자컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로 응용될 수 있다. 원자가 메모리이자 회로가 되는 고체기반 차세대 전자장치 설계에도 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다.
안드레아스 하인리히 연구단장은 “이번 연구는 다수의 원자의 특성을 토대로 쓰인 기존 물리학적 지식을 검증할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 의미가 있다”며 “현존하는 물리 이론을 뛰어넘는 새로운 소재를 발굴하는 연구에 돌파구 제시한 셈”이라고 말했다.
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