IBS, 세계 첫 고체표면 단일원자 특성 관찰 성공

원자 핵스핀과 초미세 상호작용 측정, Science誌 게재

고체기반 물질 자성 이해 넓혀, 양자 컴퓨팅 연구에 응용 기대

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 철-56(왼쪽)과 철-57(오른쪽)의 주사터널링현미경 이미지와 전자스핀공명(ESR) 스펙트럼 측정 결과. 대부분의 철 원자는 핵스핀이 없어 ESR 스펙트럼에 하나의 피크를 보여주지만 일부 철 원자(철-57)는 핵스핀을 가지고 전자스핀과 핵스핀의 상대적인 정렬에 따라 스펙트럼에는 두 개의 피크가 나타난다.2018.1019(사진=IBS 제공) [email protected]

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(이화여대 교수) 연구진은 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰하는데 성공했다고 19일 밝혔다.

 원자의 핵스핀이 내는 에너지는 매우 약해 지금까지는 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었다.
  
이번에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높여 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정하는데 성공했다.

 연구성과는 사이언스(Science)지 온라인 판에 19일 게재되됐다. 논문명은 Hyperfine interaction of individual atoms on a surface.
 
연구팀에 따르면 양자컴퓨터, 초소형컴퓨터 등 차세대 정보처리장치 구현을 위해서는 정보를 저장하는 단위를 줄여야한다. 핵스핀은 유력 초소형 메모리 후보지만 아직까지 정확한 특성이 밝혀지지 않았다.

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 산화마그네슘 표면 위에 티타늄 원자가 마그네슘과 마그네슘, 산소와 산소가 맞닿는 경계 지역에 놓인 경우(양쪽 그림)와 산소 원자의 위에 놓인 경우(가운데)에 따라 원자의 전자구조가 달라지는 것을 IBS 연구진이 측정했다.2018.10.19(사진=IBS 제공)  [email protected]

이번에 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR)기술을 결합해 단일원자의 핵스핀 측정에 성공, 하나의 원자가 정보를 오랫동안 저장하는 메모리 단위로 쓰일 수 있다는 가능성을 확인했다. 실험에는 자성을 가진 원소인 철(Fe)과 티타늄(Ti)이 사용됐다.

연구진에 따르면 이번 실험에 사용된 철 원자 147개 중 5개인 3.4%의 원자가 핵스핀의 방향에 따라 전류가 다르게 측정되는 ‘초미세 갈라짐’ 현상을 보인다.

동위원소 별로 다른 초미세 상호작용을 측정했다는 것은 양자정보 저장의 기본 단위로 사용할 수 있는 소재를 선별할 수 있는 기술을 개발했다는 의미로 실험에 사용된 철 원자의 경우 초미세 갈라짐 현상을 보인 3.4%의 원자만이 양자정보를 저장할 수 있는 가능성이 높은 소재인 것으로 해석할 수 있다는게 연구진의 판단이다.

 또 연구진은 고체 기판 위 원자가 놓인 위치에 따라 소자의 전자기적 특성이 달라진다는 것도 발견했다.

 이는 향후 개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 설계에 핵심원리로 사용될 수 있다는게 연구진의 설명이다.

 이번 연구성과는 향후 양자정보를 저장하고 연산하는 양자컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로 응용될 수 있으며 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 제시했다고 본다"고 말했다.

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