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 여겨집니다.
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.
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?
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.
양자나노과학 연구단의 장기적인 목표는 고밀도 저장 매체와 양자컴퓨터의 발전을 위해 그들의 양자역학적 효과를 탐구하고 활용하는 것입니다.
연구단 목표
- 원자와 분자가 물질과 접촉할 때 양자과학이 어떻게 변하는지 탐구
- 표면 위의 원자와 분자를 활용하여 가장 작은 큐비트 플랫폼 생성
- 나노스케일 시스템에서 고전에서 양자로의 전환 탐색 및 제어
- 원자 기반 양자 기술을 가능하게 하는 새로운 물질 상태 생성




최신 소식
표면 위 원자의 자기공명영상(MRI)

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

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

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

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.”