세계최초 고체표면의 단일원자 특성 관찰에 성공
원자의 핵스핀과 초미세 상호작용 측정, Science誌 게재
고체기반 물질의 자성 이해를 넓혀, 양자 컴퓨팅 연구에 응용 기대
2018년 10월18일
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.
* 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.
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.
* 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.
추가 정보:
Hyperfine interaction of individual atoms on a surface
Philip Willke, Yujeong Bae, Kai Yang, Jose L. Lado, Alejandro Ferrón, Taeyoung Choi, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández-Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz
Science 362, 6412, 336-339 (2018)
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