분자로 원자 수준 자기장 측정하는 양자 센서 개발

IBS 양자나노과학연구단

한국·독일 공동 연구진이 분자 하나로 원자 수준에서 전기장과 자기장을 측정하는 양자 센서를 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

한국·독일 공동 연구진이 분자로 원자 수준에서 전기장과 자기장을 측정하는 양자 센서를 개발했다. 

기초과학연구원(IBS)은 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장이자 이화여대 석좌교수 연구팀이 독일 율리히연구소와 국제 공동연구를 통해 원자 세계를 분석할 수 있는 '양자 센서'를 개발한 연구를 발표했다고 25일 밝혔다. 

양자 센서는 양자얽힘이나 중첩과 같은 양자역학적 현상을 정밀 측정에 이용하는 기술이다. 현재 양자컴퓨터 분야에서 정보의 기본 단위인 '큐비트'가 초전도, 이온트랩, 양자점 등 다양한 설계 방식으로 구현되듯 양자 센서도 다양한 종류가 개발되고 있다. 

기존 양자 센서 기술은 원자 수준의 공간 해상도를 달성하지 못한다는 한계가 있었다. 해상도는 센서가 감지할 수 있는 최소 거리를 가리킨다. 지름이 1~2Å(옹스트롬, 1Å은 10분의 1nm)에 불과한 원자를 광학현미경으로는 볼 수 없다. 빛의 파장이 수백 나노미터(nm, 10억분의 1m)가 훌쩍 넘기 때문이다. 작은 원자를 정밀하게 시각화하려면 관찰하는 도구도 그만큼 작아져야 한다. 

연구팀은 양자 물질을 관찰하기 위해 일종의 자기공명영상장치(MRI)를 고안했다. 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰하는 주사터널링현미경(STM)의 탐침 끝에 특정 종류의 분자를 부착해 전자스핀공명(ESR) 측정을 수행하는 방법이다. ESR은 스핀의 방향이 위나 아래로 바뀌는 과정에서 방출하는 에너지 크기를 토대로 원자 내부 상태를 파악하는 기술이다.

연구팀은 부착된 분자가 탐침과 접촉하고 있는 상태에서도 재료의 ESR 측정이 가능하다는 것을 확인했다. 이후 원자 단위에서 얼마나 잘 분석할 수 있는지 성능을 검증했다. 은과 철이 섞인 물질에서 각 원자의 전기장과 자기장을 측정할 수 있었다. 기존 기술은 단일 원자 크기 수준의 시료에서 전자기장 및 자기장을 측정하기 어려웠고 또한 원자 크기 수준의 분해능으로 시료의 위치를 특정하는 것이 불가능했다. 

연구팀이 개발한 양자 센서는 '공간 분해능'이 기존에 비해 대폭 향상됐다. 공간분해능이란 얼마나 가까운 거리의 두 자극을 구분할 수 있는지를 나타내는 지수다. 0.1Å의 공간 분해능으로 자기장과 전기장의 변화를 감지할 수 있었다. 원자의 지름보다 10배 이상 작은 공간에서 나타나는 변화까지 감지할 수 있다는 의미다.

연구진은 개발한 양자 센서가 양자 물질과 소자 설계, 새로운 촉매 개발, 생화학 분자의 양자 특성 탐구 등에 폭넓게 응용될 것으로 기대하고 있다. STM을 갖춘 실험실이라면 손쉽게 기존 장비를 활용해 양자 센서를 구현할 수 있다.

이번 연구의 공동 제1저자인 디미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원은 “작은 대상을 보려면 관측 도구 역시 작아져야 한다”며 “물질을 시각화하는 기존 기술은 거대하고 부피가 큰 탐침을 사용하여 작은 원자의 특성을 분석하려고 했다”고 말했다.

공동 교신저자인 배유정 스위스 연방 재료과학기술 연구소 그룹리더는 “물질을 관찰하고 연구하기 위한 도구의 혁명은 축적된 기초과학에서 비롯된다”며 “‘바닥에는 여전히 많은 공간이 있다’는 리차드 파인만의 명언처럼 물질을 단일 원자 수준에서 조작하는 기술의 잠재력은 무한하다”고 말했다.

[이채린 기자 rini113@donga.com]