양자컴퓨팅 개발 열쇠 ‘단일원자 핵스핀’ 측정 세계 첫 성공

2018.10.19 03:00

IBS, 핵스핀-전자스핀 상호작용도 원자단위서 관측
양자메모리 넘어 혁명적인 성과로 이어질 것

 

주사터널현미경(STM) 탐침으로 철 원자를 관찰하고 있는 모습. 기초과학연구원(IBS)은 STM에 독자 개발한 전자스핀공명(ESR) 기술을 접목해 원자의 핵스핀을 측정하는 데 세계 최초로 성공했다. - IBS 제공
주사터널현미경(STM) 탐침으로 철 원자를 관찰하고 있는 모습. 기초과학연구원(IBS)은 STM에 독자 개발한 전자스핀공명(ESR) 기술을 접목해 원자의 핵스핀을 측정하는 데 세계 최초로 성공했다. - IBS 제공

한미 공동 연구진이 이전까지 관찰할 수 없었던 원자 하나의 전자기적 특성을 정밀하게 관찰하고 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 원자 하나로 양자정보를 처리할 수 있는 양자메모리를 비롯해 양자컴퓨팅에 필요한 여러 전자소자를 원하는대로 설계할 수 있는 강력한 도구가 생긴 셈이다.
 
안드레아스 하인리히 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과 석좌교수) 연구팀은 미국 IBM 알마덴연구소와 공동으로 고체 표면 위에 놓인 티타늄(Ti), 철(Fe) 등 단일 원자의 핵스핀을 측정하는 데 세계 최초로 성공했다고 18일 밝혔다. 이를 바탕으로 원자의 전자기적 특성을 결정하는 핵스핀과 전자스핀 간의 미세한 상호작용을 정밀 관측하는 데도 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 19일자 온라인판에 게재됐다.
 

안드레아스 하인리히 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과 석좌교수·왼쪽)이 최근 연구성과에 대해 소개하고 있다. 오른쪽은 이번에 발표한 논문의 제1저자인 필립 윌케 IBS 연구위원(이화여대 박사후연구원)이다. - IBS 제공
안드레아스 하인리히 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과 석좌교수·왼쪽)이 최근 연구성과에 대해 소개하고 있다. 오른쪽은 이번에 발표한 논문의 제1저자인 필립 윌케 IBS 연구위원(이화여대 박사후연구원)이다. - IBS 제공

스핀은 원자의 핵 또는 전자가 자전하면서 생기는 각운동량 단위로, 위(↑)나 아래(↓)의 방향성을 갖는다. 논문의 제1저자인 필립 윌케 IBS 연구위원(이화여대 박사후연구원)은 18일 서울 이화여대에서 열린 기자간담회에서 “특히 핵스핀은 자성을 띤 원자의 중심에서 회전하는 작은 막대자석에 비유할 수 있다”고 설명했다. 

 

이어 그는 “수백 억 개 원자들의 핵스핀이 만들어내는 신호를 측정해 한 장의 이미지를 얻는 자기공명영상(MRI)이 핵스핀을 활용한 대표적인 사례”라며 “하지만 핵스핀이 내는 에너지가 너무 작아 이전까지는 핵스핀을 원자 단위에서 측정하진 못했다”고 말했다. 최소 100만 개의 원자가 모여야만 유의미한 신호를 감지할 수 있었기 때문이다.
 
연구진은 원자 하나의 핵스핀을 측정하기 위해 주사터널현미경(STM) 기술에 연구진이 독자 개발한 전자스핀공명(ESR) 측정기술을 결합했다. STM은 매우 뾰족한 금속 탐침을 이용해 표면의 형상을 원자 단위로 관찰할 수 있는 기술이다. ESR은 스핀의 방향이 위(↑) 또는 아래(↓)로 바뀌는 과정에서 방출되는 에너지 크기를 측정해 원자 내부의 상태를 파악하는 기술이다. 하인리히 단장은 “STM은 공간 분해능이 좋고, ESR은 에너지 분해능이 좋다”며 “두 가지 기술이 가진 서로 다른 장점을 결합하면, 한 원자의 에너지를 파악할 수 있으리라 생각했다”고 말했다.
 

철-46원자와 철-47 원자의 핵스핀 측정 결과. 철-56 원자는 핵스핀을 갖지 않아 한 가지 신호만 검출됐다(왼쪽). 반면 철-57 원자의 경우 핵스핀 방향이 각각 위(↑)와 아래(↓)인 2가지 에너지(양자) 상태로 존재하기 때문에 두 가지 신호가 검출됐다(오른쪽). 이 측정 기술을 활용하면 이런 방식으로 원자 단위에서 동위원소 구별도 가능하다. - 기초과학연구원(IBS) 제공
철-46원자와 철-47 원자의 핵스핀 측정 결과. 철-56 원자는 핵스핀을 갖지 않아 한 가지 신호만 검출됐다(왼쪽). 반면 철-57 원자의 경우 핵스핀 방향이 각각 위(↑)와 아래(↓)인 2가지 에너지(양자) 상태로 존재하기 때문에 두 가지 신호가 검출됐다(오른쪽). 이 측정 기술을 활용하면 이런 방식으로 원자 단위에서 동위원소 구별도 가능하다. - 기초과학연구원(IBS) 제공

측정 원리는 이렇다. 연구진은 영하 271.95도의 극저온, 초저진공 환경에서 산화마그네슘(MgO) 기판 위에 원자를 올린 뒤 원자 하나 위에 STM 탐침을 고정시키고 고주파를 가했다. 이때 에너지가 높아진 원자의 핵스핀은 위(↑)를 향한다. 이후 시간이 지남에 따라 에너지가 손실되면서 핵스핀의 방향이 다시 아래(↓)로 바뀌는데, 연구진은 이 과정에서 원자를 통과하는 전류의 세기(양)가 달라진다는 사실에 주목했다. ESR로 이 전류의 세기를 측정해 티타늄 원자 하나의 핵스핀 값을 역추산한 것이다.

 

연구진의 핵스핀 측정 기술을 활용하면 원자 단위로 동위원소를 구별하는 것도 가능하다. 예를 들어, 철은 자연계에 존재하는 4가지 동위원소 중 철-57 원자만 핵스핀을 갖는다. 철-57 원자의 경우 핵스핀 방향이 각각 위(↑)와 아래(↓)인 2가지 에너지(양자) 상태로 존재한다. 티타늄-47과 티타늄-49는 각각 6가지, 8가지 양자 상태가 있다. 연구진은 STM 탐침을 이용해 표면 위 원자의 위치를 바꿔가면서 원자들 간의 상대적 위치 변화에 따라 원자의 스핀 특성이 달라진다는 점도 확인했다.

 

티타늄(Ti) 원자의 위치 변화에 따른 미세 상호작용 변화. - 기초과학연구원(IBS) 제공
티타늄(Ti) 원자의 위치 변화에 따른 미세 상호작용 변화. - 기초과학연구원(IBS) 제공

이번 연구는 물질의 자성을 원자 단위에서 연구할 수 있는 길을 열었다는 데 의의가 있다. 새로운 양자컴퓨팅 전자소자를 개발하는 데도 큰 도움이 될 것으로 보인다. 앞서 지난해 연구진은 전자스핀의 두 가지 상태를 이용해 0과 1을 표현하는 방식으로 홀뮴(Ho) 원자 하나로 1비트의 디지털 정보를 읽고 쓰는 데 성공한 바 있다. 윌케 연구위원은 “핵스핀은 전자스핀보다 수명이 길기 때문에 더 안정적으로 정보를 저장할 수 있다”며 “0과 1은 물론 두 상태가 중첩된 상태까지 다룰 수 있는 양자정보 처리장치를 개발하는 단초가 될 것”이라고 강조했다.

 

다만 하인리히 단장은 “우리가 얻은 기초연구 성과는 단순히 양자메모리 구현을 위한 기술이 아니다”라고 말했다. 이어 그는 “핵스핀이라는, 기존에는 접근할 수 없었던 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 길을 열었기 때문에 지금은 상상할 수 없는 혁명적인 성과로 이어질 것으로 기대한다”며 “원자의 전자구조에 대한 전반적인 이해의 폭을 넓히는 데 집중할 계획”이라고 밝혔다.

 

하인리히 단장은 “눈에 보이지 않는 양자 세계를 표현한 영화 ‘앤트맨과 와스프’ 등을 통해 최근 양자 세계에 대한 대중의 관심이 매우 높아진 것 같다”고 말했다. 그는 “수많은 전자장비가 들어 있는 휴대폰을 오래 사용하면 뜨거워지는 것을 느낄 수 있는데, 이 역시 양자효과 때문”이라며 “우리 연구단은 이런 양자효과를 필요에 따라 역으로 활용하는 것을 목표로 하고 있다”고 소개했다. 

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