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원자 하나로 정보 저장하는 시대 성큼..기초과학연구원, 원자 핵스핀 측정 성공

IBS 연구팀은 산화마그네슘 기판 위에 원자를 올려두고 주사 터널링 현미경(STM)으로 원자핵의 스핀 특성을 관찰했다. 스핀은 일종의 회전하는 막대 자석에 비유할 수 있다. STM은 뾰족한 금속 탐침을 이용해 표면의 형상을 원자 단위로 파악하는 기술로 표면 위 원자의 위치를 다른 곳으로 이동시키는 것도 가능하다. [사진 IBS]

IBS 연구팀은 산화마그네슘 기판 위에 원자를 올려두고 주사 터널링 현미경(STM)으로 원자핵의 스핀 특성을 관찰했다. 스핀은 일종의 회전하는 막대 자석에 비유할 수 있다. STM은 뾰족한 금속 탐침을 이용해 표면의 형상을 원자 단위로 파악하는 기술로 표면 위 원자의 위치를 다른 곳으로 이동시키는 것도 가능하다. [사진 IBS]

 
모든 물질을 이루는 근본인 원자는 크기가 무척이나 작다. 수소나 산소 등 물질에 따라 원자 크기는 다르지만, 일반적인 원자 크기는 0.0000000001m에 불과하다. 이렇기 때문에 과학기술 발전에도 원자를 다루는 기술은 그만큼 빠르게 발전하지 못했다.
 
기초과학연구원(IBS)은 고체 표면에 놓은 단일 원자의 특성을 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 저널 사이언스에 18일(현지시각) 발표됐다.
 
IBS가 측정에 성공한 건 원자핵 스핀이다. 스핀은 원자핵이 가지고 있는 고유한 운동을 말한다. 보통 위(↑)나 아래(↓)의 방향성을 갖는다. 눈에 보이지 않지만, 원자핵이 그런 방향성을 갖고 있다는 것이다. 이런 방향성을 활용해 정보를 저장하는 대표적인 상품이 하드디스크다. 하드디스크는 플래터라는 금속 원반에 자성 물질을입혀 정보를 기록한다. 자성 물질을 특정한 방향으로 정렬시켜 정보를 저장하고 읽어 들인다.
 
표면 위에 놓인 철(Fe) 원자를 주사 터널링 현미경(STM)으로 관찰하는 모습이다. 연구에는 미국 IBM 알마덴연구소가 보유한 STM이 사용됐다. [사진 IBS]

표면 위에 놓인 철(Fe) 원자를 주사 터널링 현미경(STM)으로 관찰하는 모습이다. 연구에는 미국 IBM 알마덴연구소가 보유한 STM이 사용됐다. [사진 IBS]

 
그동안 많은 과학자가 단일 원자의 핵스핀을 측정하려는 시도가 이어졌지만, 에너지가 매우 약해 성공하지 못했다. IBS는 연구단이 보유한 단일 원자 전자스핀공명(ESR) 측정 기술과 주사 터널링 현미경(STM)을 결합했다. 주사 터널링 현미경은 바늘과 같이 뾰족한 침을 활용해 물체 표면을 원자 단위로 들여다 볼 수 있는 장치다. 이번 연구는 미국 IBM 알마덴연구소의 주사 터널링 현미경을 이용해 진행됐다. 원자 스핀을 확인하기 위해 영하 271.95℃의 극저온 상태를 유지해야 했다.  
 
이번 연구는 단일 원자 저장장치 개발 가능성을 열었다는 데 의미가 있다. 연구팀은 고체 기판 위 원자가 놓인 위치에 따라 전자기적 특성이 달라짐을 확인했다. 이런 특성을 활용하면 차세대 반도체 개발에도 응용할 수 있다. 핵스핀은 전자스핀보다 수명이 길어 스핀 소자로 개발했을 때 더 안정적으로 정보를 저장할 수 있다. 이번 연구에서 개발된 핵스핀 측정 기술이 양자정보 저장의 기본단위로 사용할 수 있는 소재를 검증할 수 있는 만큼, 이번 연구는 양자정보처리, 스핀 소자 등 차세대 전자소자 연구에 중요한 실마리를 제공했다는 실용적 의미도 크다. 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노연구단장은 “현존하는 전자소자를 넘어선 새로운 소재를 발굴할 수 있는 돌파구를 마련한 셈”이라고 말했다.
 
강기헌 기자 emckk@joongang.co.kr
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