원자 한 개 MRI 촬영 가능해졌다

IBS, 자기공명영상으로 원자 스핀 자기장 시각화... 기존 대비 100배 높은 해상도

JULY 1, 2019

원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상 (MRI, Magnetic Resonance Imaging) 기술이 개발됐다. 원자의 스핀 자기장을 시각화하는 세상에서 가장 세밀한 MRI인 셈이다. 기초과학연구원(원장 김두철) 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich, 이화여자대학교 물리학과 석좌교수) 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구한 이 결과는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 이상 해상도를 높인 것이다.
자기공명영상은 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해, 우리 눈엔 보이지 않는 신체 내부를 시각화하는 원리다. 병원의 자기공명영상 기기 촬영에는 보통 수억 개 원자 스핀이 필요하다. 이후 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구 가 이뤄졌으나, 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 또렷이 보기는 어렵다는 기술적 한계가 있었다.

독특한 분자 구조 신소재나 양자소자 등 미시적인 자성 현상을 갖는 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀 시각화가 반드시 필요하다. 눈으로 볼 수 있어야 나노 구조물을 원하는 대로 정확하게 만들 수 있기 때문이다. 연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경 (STM, Scanning Tunneling Microscope)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에가깝게 스캔해, 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.

연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안한 것이다. 스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠어, 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다. 한편 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 그 뒤 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 거듭했다.

그 결과, 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는 데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로, 원자 하나의 또렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다.

연구진은 이번에 개발된 기술을 사용해 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다. 제 1저자인 필립 윌케(Philip Willke) 연구위원은 “최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있다”며 “이번 자기공명영상 기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 그리고 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다”고 말했다.

교신 저자인 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장은 “병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯, 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다”며 “이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다”고 의의를 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF=22.727)에 7월 2일 오전 0시(한국시간) 온라인 게재됐다.



용어 설명

자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging) : 자기공명 촬영 장치에 관측 대상을 넣고 고주파 자기장을 발생시키면 대상의 수소 원자핵이 공명한다. 이때 나오는 신호의 차이를 측정하고 컴퓨터를 통해 영상화시켜 우리가 보는 자기공명영상이 된다.

스핀(spin) : 양자역학에서 입자가 가지는 내재된 각운동량. 처음에는 전자의 자전에서 기인한 것으로 생각했지만, 이후 전자가 원자핵 주변을 실제로 돌 수는 없음이 밝혀졌다. 현재는 전하나 질량처럼 입자의 기본 성질로 보고 있다. 원자들의 스핀을 한 방향으로 정렬하면 자성을 띠어, 모든 입자가 갖는 ‘자석의 씨앗’으로 비유되기도 한다.

자기공명힘 현미경(MRFM, Magnetic Resonance Force Microscopy) : 공명영상을 나노 규모에서 찍는 이미징 기술. 현재 기술로는 분자구조와 고체 결함을 볼 수 있다.

주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope) : 전자의 양자역학적 터널링을 이용하는 현미경. 전도성 탐침을 시료 표면에 아주 가깝게 가져간 상태에서 탐침과 시료 사이에 바이어스 전압을 걸어주면, 전자가 진공의 에너지 장벽을 꿰뚫고 한 쪽에서 다른 쪽으로 넘어갈 수 있다. 이를 터널링이라고 부르고, 탐침으로 표면을 훑으면서 터널링 전류를 측정하여 표면을 볼 수 있다.

스핀 클러스터 : 스핀을 띤 원자들의 집합으로, 실험에서는 1~5개 사이의 철 원자를 부착했다.

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