연구단 소개

정보기술이 발전함에 따라 연산 소자들이 작아지고 있지만 최근 큰 한계에 부딪혔습니다. 소자의 구성 요소들이 원자 단위로 작아짐에 따라 양자역학적 효과를 무시할 수 없게 되었기 때문입니다. 이런 양자역학적 효과의 적절한 제어가 당면한 문제들을 해결하고 오히려 큰 도약을 향한 돌파구가 될 수 있을 것으로 여겨지고 있습니다.

이화여자대학교에 위치한 기초과학연구원 양자나노과학 연구단은 순수 학문적 관점은 물론 정보 산업 분야에서 결정적으로 중요함에도 불구하고 아직 이해가 미흡한 연구 분야인 고체 계의 양자역학적 효과에 대한 폭넓은 연구를 지향합니다. 우리 연구단의 목표는 표면과 계면에서의 원자 단위 양자 효과를 제어하는 분야에서 세계 최고 수준의 연구단이 되는 것입니다. 이를 위해 최적화된 연구 설비를 활용하고 국내외 우수한 연구 그룹과 협력하여 최첨단 연구를 이끌겠습니다.

양자 나노과학이란?

양자나노과학
양자 나노과학은 양자 과학과 나노 과학의 교차점이 있는 새로운 연구 분야입니다. 양자 과학은 물질의 양자 역학 특성을 연구하고 분자 나노 과학은 원자 규모의 구조물에 초점을 맞춥니다. 양자나노과학 연구단은 표면의 원자와 분자의 양자 상태를 연구함으로써 이 두 분야를 결합합니다. 이 노력의 일환으로 우리는 원자를 보고 집어서 원하는 위치로 옮길 수 있는 특수 장비를 사용합니다. 이 장비로 여러 원자를 이용해 우리가 원하는 공학 구조를 구성할 수 있습니다.

양자나노과학 연구단의 장기적인 목표는 고밀도 저장 매체와 양자컴퓨터의 발전을 위해 그들의 양자역학적 효과를 탐구하고 활용하는 것입니다.
 

연구단 목표

  • 깨끗한 표면 위의 원자와 분자의 양자 상태를 완벽히 제어
  • 양자 나노 구조의 결맞음 상태를 이루는 시스템과 방법론에 대해 이론적으로 및 실험적으로 완벽히 이해
  • 단일 원자 및 분자를 양자 컴퓨터 응용을 위한 큐비트로 활용하는 것에 대한 가능성 탐구
  • 양자 측정 등 양자 역학에서 고전 역학으로 전이될 때 일어나는 현상에 대한 연구
 

최신 소식

표면 위 원자의 자기공명영상(MRI)

양자나노과학 연구단은 STM을 이용하여 표면 위 개별 원자에 대한 MRI 촬영이 가능함을 입증했습니다. 국제 공동 연구를 하고 있는 양자나노과학 연구단은 이러한 새로운 기술을 이용해 단일 원자의 자기장을 시각화하였습니다.

이 연구에서 조사했던 두 원소, 즉 철과 티타늄은 모두 자성을 갖고 있습니다. 샘플을 완벽하게 준비함으로써 이들 원자를 STM으로 정확히 볼 수 있었습니다. 그 다음, 연구원들은 이들 원자가 만들어낸 3차원 자기장을 전례 없던 해상도로 그려내기 위해 MRI 장비처럼 현미경의 탐침(tip)을 이용하였습니다. 연구원들은 이를 위해 또 다른 스핀 클러스터를 현미경의 날카로운 금속 탐침에 부착하였습니다. 일반적인 자석과 비슷하게 이 두 스핀은 상대적 위치에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어냅니다. 연구원들은 표면 위 원자 위로 탐침 스핀 클러스터를 지나가게 함으로써 자기적 상호작용을 측정하여 MRI를 그려낼 수 있었습니다.

다음은 주 저자인 양자나노과학 연구단의 필립 윌케 박사의 설명입니다. “우리가 측정했던 자기적 상호작용은 탐침과 샘플에 각각 있던 스핀의 특성에 의존하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 철에 대해 나타나는 신호는 티타늄 원자에 대한 신호와 상당한 차이가 있습니다. 덕분에 원자의 자기장 특징 별로 다양한 종류의 원자를 구별할 수 있었고 이 기술이 더욱 강력해졌습니다.”

단일 원자 핵의 소형 자석 측정에 있어 혁신적 발견

이 연구에서 조사했던 두 개의 원소, 즉 철과 티타늄은 원자의 핵에서 중성자의 수가 다른 원자, 즉 동위원소입니다. 각 원소의 특정 동위원소만이 핵 스핀이 있는 코어를 갖고 있습니다. 개별 원자의 핵 스핀을 측정하는 것은 일반적으로 매우 어렵습니다. 과거부터 다량의 핵 스핀이 필요했기 때문에 이러한 혁신적 발견은 매우 주목할만합니다.

단일 원자의 코어 내 핵 스핀의 존재를 확인하기 위해 연구진은 초미세 상호작용을 이용하였습니다. 이 현상은 단일 원자의 핵 스핀 그리고 일반적 접근이 훨씬 쉬운 전자간 결합에 대한 정보를 알려줍니다. 이번 연구의 제1 저자인 양자나노과학 연구단 필립 윌케 박사는 “원자를 표면 위 다른 위치로 옮기거나 그 옆으로 다른 원자를 옮길 경우 원자의 초미세 상호작용이 변화하는 것을 발견하였습니다. 이 두 경우 모두 원자의 전자 구조가 바뀌며 우리는 핵 스핀을 통해 이러한 사실을 확인할 수 있었습니다.”라고 설명했습니다.

단일 원자를 이용한 데이터 저장에 한 걸음 더 가깝게

양자나노과학 연구단과 EPFL의 연구진은 주사 터널링 현미경(STM)을 이용해 단일 원자로 구성된 자석의 안정성을 성공적으로 확인하였습니다. 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 확산에도 불구하고 전통적인 하드 드라이브와 자기 테이프와 같은 자기 저장 장치가 여전히 일반적으로 사용되고 있습니다. 하지만 데이터 저장에 대한 필요성이 일일 1,500만 기가바이트의 속도로 늘어나면서 과학자들은 이를 대체할만한 저장 장치를 찾고 있습니다. 이들 중 하나가 단일 원자 자석입니다. 개별 원자로 구성된 저장 장치가 표면 위에 놓여 있고(흡착) 각 원자는 양자역학을 이용해 쓰기와 읽기가 가능한 디지털 비트 데이터를 저장할 수 있습니다. 촘촘하게 묶음으로 만들 수 있을 정도로 원자가 작기 때문에 단일 원자 저장 장치는 거대한 데이터 용량을 기대할 수 있습니다. 단일 원자 자석이 더 이상 공상 과학 소설이 아님에도 불구하고 여전히 기초적인 연구 단계에 머물고 있으며 상업용 장치로 실현하기 전까지 많은 근본적 장애물을 넘어야 합니다. EPFL은 자기 잔류물의 이슈를 극복하고 단일 원자 자석을 데이터를 읽고 쓰는데 사용할 수 있음을 증명함으로써 이 분야의 선두에 있습니다. 이번 발표의 공동 저자인 양자나노과학 연구단의 파비오 도나티 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “단일 원자 자석의 이러한 흥미로운 행동은 기초과학뿐 아니라 향후 응용에 있어서도 주목을 받고 있습니다. 이들의 자기적 안정성을 제한하는 요소를 살펴보는 것이 단일 원자를 기본으로 사용하는 미래의 나노 스케일의 저장 매체를 만드는데 있어 핵심입니다.”

단일 원자 비트

네이처에 이제 발표된 연구에 따르면 이제 디지털 정보의 1비트를 개별 원자에 성공적으로 저장할 수 있습니다. 현재 상업적으로 이용 가능한 자기 메모리 장치는 1 비트를 저장하기 위해 약 100만개의 원자를 필요로 합니다. 양자나노과학 연구단의 안드레아스 하인리히 단장은 IBM 알마덴 리서치 센터(미국)에서 이러한 연구를 이끌었습니다. 이번 결과는 저장 매체의 소형화에 있어 혁신적이며 양자 컴퓨팅의 기반이 될 잠재력을 갖고 있습니다.

개별 철 원자로 만든 양자 센서

양자나노과학 연구단 연구진은 미국 IBM 알마덴 리서치 연구팀과 공동으로 개별 철 원자를 양자 센서로 활용하는데 성공하였습니다. 이들은 이 센서를 사용하여 이웃한 자기 원자가 만들어낸 작은 자기장을 측정할 수 있었으며 이는 과거 주사 터널링 현미경(STM)에서는 측정할 수 없었던 효과입니다.

이번 연구는 해당 팀에서 STM에서 전자 스핀 공명, 즉 단일 스핀에서 양자 역학적 측정을 입증했던 최근 혁신적 발명을 처음으로 응용한 것입니다. 이 연구의 제1 저자인 최태영 교수는 다음과 같이 언급하였습니다. “복잡한 분자에서 스핀을 측정하는데 있어 이 양자 센서를 일종의 나노-GPS처럼 원자 스케일의 공간 해상도로 사용할 수 있을 것으로 예상합니다.”

한눈에

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