단일 원자의 핵스핀 측정 연구 모식도(IBS 제공)© News1

기초과학연구원(IBS)은 양자 나노과학 연구단(단장 안드레아스 하인리히)이 미국 IBM 알마덴연구소와 함께 고체 표면 위에 놓인 단일 원자의 특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

양자컴퓨터, 초소형 컴퓨터 등 차세대 정보 처리장치 구현을 위해서는 정보를 저장하는 단위를 줄여야 한다. 핵스핀은 유력 초소형 메모리 후보지만 현재까지 정확한 특성이 밝혀지지 않았다.

원자의 핵스핀이 내는 에너지는 매우 약하기 때문에 현재까지 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수밖에 없었던 것이다.

핵스핀은 자성의 기본 단위를 말한다. 자성을 갖는 원자핵은 일종의 막대자석에 비유할 수 있다. 자전하며 위(↑)나 아래(↓)로 자기장을 형성한다.IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높이고, 자기공명영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한 개의 핵스핀을 측정할 수 있었다.

연구진은 또 고체 기판 위 원자가 놓인 위치에 따라 소자의 전자기적 특성이 달라지는 것을 확인했다.

연구진은 이를 향후 개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 설계에 핵심 원리로 사용될 수 있다고 설명했다.

이번 연구 성과는 향후 양자 정보를 저장하고 연산하는 양자 컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로 응용될 수 있다.

원자가 메모리면서 회로가 되는 고체기반 차세대 전자장치 설계에도 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다.

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 돌파구를 제시한 셈”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 ‘사이언스(Science, IF 41.058)’ 온라인 판에 19일 오전 3시(한국시간)에 게재됐다.

이번 연구에 참여한 IBS 양자나노과학 연구단 연구진들이 기념사진을 촬영하고 있다.© News1

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