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세계최초 고체표면 단일원자 정밀 측정 관찰 성공…차세대 전자소자 핵심원리로 사용될 수 있어
세계최초 고체표면 단일원자 정밀 측정 관찰 성공…차세대 전자소자 핵심원리로 사용될 수 있어
  • 이고운 기자
  • 승인 2018.10.19 10:30
  • 댓글 0
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양자나노과학 연구단 연구진 (왼쪽부터) 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장, 필립 윌케 IBS 양자나노과학연구단 연구위원, 최태영 IBS 양자나노과학연구단 연구위원
양자나노과학 연구단 연구진 (왼쪽부터) 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장, 필립 윌케 IBS 양자나노과학연구단 연구위원, 최태영 IBS 양자나노과학연구단 연구위원
단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도
단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도

[파퓰러사이언스 이고운 기자] 더 작고 빠른 차세대 전자소자 구현을 위한 과학자들의 노력이 계속되는 가운데 현재의 디지털 소자는 한계에 다다랐다. 그래서 보다 새로운 개념의 전자소자 플랫폼을 개발하기 위한 실험이 활발하게 이루어지고 있다.

자성을 활용하는 전자소자는 스핀이라는 특성을 가지고 원자핵이나 전자가 갖는 값으로 자전운동에 따라 보통 위 혹은 아래의 방향성을 갖는다. 핵스핀과 전자스핀은 서로 밀어내거나 끌어당기는 초미세 상호작용을 하며 원자의 전자기적 특성을 결정한다.

하지만 원자의 핵스핀이 내는 에너지는 매우 약해서 지금까지의 기술로는 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 교수) 연구진은 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

이번에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM, 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰할 수 있는 기술. 인형 뽑기처럼 원자 하나를 집어 위치를 이동시킬 수 있다)과 전자스핀공명(ESR, 원자핵의 스핀과 전자스핀 사이 서로 밀어내거나 끌어당기는 상호작용으로 원자의 자기적 특성에 영향 준다) 기술을 결합하여 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높여 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정할 수 있었다. 이 기술을 활용하면 세기가 강하거나 약한 핵스핀 또는 핵스핀이 없는 원자를 구별할 수 있다. 이를 통해 하나의 원자가 정보를 오랫동안 저장하는 메모리 단위로 쓰일 수 있다는 가능성을 확인했다.

산화마그네슘 표면 위 철 원자를 관찰하는 모습
산화마그네슘 표면 위 철 원자를 관찰하는 모습

원자의 위치도 이동이 가능했는데 이를 통해 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.

또한 미래에 양자정보를 저장하고 연산하는 양자컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로 응용될 수도 있어 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.

연구진은 기존 전자스핀공명 기술을 이용해 원자의 핵스핀을 측정하는 것이 최초는 아니지만 주사터널링현미경과 전자스핀공명 두 기술을 결합해 표면 위 단일 원자의 핵스핀을 측정할 수 있다는 것이 중요한 사실이라고 다시 한 번 강조했다.

이번 연구 성과는 사이언스(Science, IF 41.058)誌 온라인 판에 10월 19일 3시(한국시간)에 게재되었다.

 

 


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