원자 저장의 안정성을 높일 메커니즘의 발견. 궁극적인 데이터 소형화를 한 걸음 더 현실화하다.


IBS 양자나노과학 연구단과 취리히 ETH, 로잔 EPF의 공동 물리학 연구진이 X선 기술과 이론을 결합하여 단일 원자 비트에 저장된 정보를 열 요동으로 부터 보호할 방법을 발견하다.

2020년 3월 2일

전세계 데이터센터에 현재 저장되어 있는 정보의 양은 이제 천문학적 숫자인 제타바이트, 즉 1조 기가바이트를 넘어서고 있다. 이러한 데이터의 상당수가 자성체를 통해 하드 드라이브와 테이프에 저장된다. 저장 용량에 대해 그 어느 때보다 늘어나는 수요는 단일 장치에 기록할 수 있는 데이터 양을 늘리면서 개별 비트의 크기를 소형화하기 위한 지속적인 연구를 필요로 한다. 이러한 시급한 필요성을 느낀 과학자들은 정보를 보다 작은 물질에 저장하는 방법을 살펴보고 있다.

물리학자들은 단일 원자에 정보를 저장하는 것과 관련된 문제를 이러한 연구의 궁극적 한계로 다루고 있다. 홀뮴과 같은 독특한 자성을 갖고 있는 원소를 이용하면 단일 원자에 정보를 쓰고 이러한 원자를 개별 비트로서 읽는 것이 가능하다. 원자는 물질을 구성하는 가장 작은 요소이기 때문에 개별 원자에 정보를 쓸 수 있다면 전례 없는 저장 용량을 확보할 수 있는 길이 열릴 것이다. 그러나 이러한 메모리 사용은 물리학 실험실에서만 가능하다. 실제로, 이들 물체는 극저온에서만 자기 메모리로 작동하기 때문에 이러한 기능을 하려면 원자를 4.2켈빈(-269℃)의 온도로 유지하기 위한 액체 헬륨과 같은 극저온 액체가 필요하다. 주요 과학적 도전과제 중 하나는 이들 원자가 더 높은 온도에서는 데이터를 저장하지 못하는 메커니즘을 이해하는 것이다.

이화여자대학교 IBS 양자나노과학연구단(QNS) 물리학자들은 지난 몇 년간 이러한 연구를 주도해왔다. 스위스와 프랑스의 연구기관들(ETH 취리히, EPF 로잔, PSI, ESRF)과 공동 연구로 Physical Review Letters에 발표한 가장 최근 연구는 이들 원자가 정보 저장 능력을 잃게 되는 방식을 밝히면서 이것을 막을 수 있는 방법에 대한 해결책 발견을 시사하고 있다.

X선을 이용한 단일 원자 비트 탐침

이번 연구를 위해 연구자들은 싱크로트론(synchrotron)이라고 부르는 첨단 연구소에서 사용하는 기술인 X선 흡수 분광법을 사용했고 온도 및 적용된 자기장이 산화마그네슘 표면에 증착된 홀뮴 원자의 자기 메모리에 어떤 효과를 주는지 살펴보았다. 이러한 물질에 X선을 비추면 대량의 비트 모음의 자기 상태를 동시에 측정할 수 있다.

이들은 여러 실험을 통해 데이터를 수집하고 대량의 데이터를 이론과 비교함으로써 홀뮴 원자가 열 에너지로 인해 진동하기 시작할 때 그 원자의 메모리가 교란된다는 것을 발견했다. 원자의 온도가 높을수록 진동하는 동안 원자의 진동 진폭이 커졌다. 이러한 진동은 정보의 비트를 보존하는 원자의 능력을 감소시킨다. 그러나 기존의 자성체와는 대조적으로 이러한 효과는 외부 자기장을 적용할 경우 사라지는 것처럼 보였다.

이번 논문의 제1저자인 양자나노과학 연구단 파비오 도나티 교수는 "이와 같은 흥미로운 행동은 이들 자기 원자의 양자적 성질의 특징”이라고 말했다. “홀뮴 원자를 표면에 고정시키는 화학적 결합으로 인해 이들 원자의 진동은 몇몇 이산 주파수에서만 발생할 수 있다.” 달리 말해, 개별 원자는 더 많은 원자로 만들어진 다른 자기 시스템보다 진동할 가능성이 낮다.

자기 메모리 효과를 개선하기 위한 자기장 활용

자기장을 적용하지 않는다면 이산 주파수의 원자 진동이 존재할 경우 10켈빈 이하 온도에서 수천 초 동안 이들 원자가 정보를 유지하는데 도움이 된다. 그러나 외부 장을 적용하면 홀뮴 원자의 자기 메모리가 훨씬 더 견고해진다. “자기장 때문에 우리는 이러한 진동의 주파수와 원자의 자기 상태 사이에서 일종의 디튜닝(detuning)을 유도한다. 원자가 진동을 해도 원자의 자기 메모리의 불안정화는 최소화할 수 있다”라고 도나티 교수는 말했다. 이 때문에 원자는 30K 이상에서도 메모리를 보존할 수 있다. 이는 자기장을 껐을 때보다 3 배 더 개선된 결과이다.

물리학자들이 이러한 단일 원자 비트의 특성을 알아갈수록 원자 데이터 저장 장치를 실현하려는 아이디어는 현실에 가까워진다. “우리는 단일 원자 메모리가 작동할 수 있는 최대 가동 온도를 찾으려고 노력 중이다. 자기 메모리의 안정성을 저해하는 메커니즘에 대한 이해는 새롭고 보다 견고한 비트를 설계하는데 있어 첫 단계이다.”
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