아주 미세한 `원자 세상`을 들여다 보는 `양자 전용 MRI` 나와

IBS, 원자 수준의 자기장과 전기장 측정 센서 개발
STM 활용해 독보적공간 분해능 및 고해상도 이미지

기초과학연구원은 원자 단위 수준에서 전기장과 자기장을 정밀 측정할 수 있는 양자센서를 개발했다. 사진은 기존 주사터널링현미경(STM) 이미지(왼쪽)과 개발된 양자센서로 얻은 이미지(오른쪽)로, 고해상도의 선명한 이미지를 얻을 수 있다. IBS 제공

IBS 연구진이 개발한 양자센서의 개념도. STM의 탐침 끝에 PTCDA 분자를 부착하고, 전자스핀공명 측정방식으로 높은 감도와 공간분해능을 얻을 수 있다. IBS 제공

물질을 이루는 가장 작은 입자인 원자의 전기적, 자기적 특성을 감지할 수 있는 양자센서 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장(이화여대 석좌교수) 연구팀이 독일 율리히연구소와 공동으로 원자 수준에 전기장과 자기장을 정밀 측정할 수 있는 양자센서를 개발했다고 25일 밝혔다.

지름이 1∼2옹스트롬(1옹스트롬은 10분의 1㎚)에 불과한 원자를 광학현미경으로 볼 수 없다. 작은 원자를 정밀하게 시각화하려면 관찰하는 도구도 그만큼 작아져야 한다.

기존 센서들은 주로 결정 격자의 결함에 의존하는 방식이어서 원자 수준의 분해능을 얻는데 한계가 있다. 연구팀은 주사터널링현미경(STM)의 뾰족한 탐침 끝에 PTCDA라는 분자를 부착하고, 전자스핀공명 측정을 수행하는 방식으로 시각화 기술을 구현해 양자센서를 제작했다. 시각화 기술을 적용한 양자센서는 은과 철이 섞인 물질에서 원자 단위로 전기장과 자기장을 측정할 수 있음을 확인했다.

또한 0.1옹스트롬의 공간 분해능을 가져 원자의 지름보다 10배 이상 작은 공간에서 나타나는 자기장과 전기장 변화까지 감지할 수 있다고 연구팀은 설명했다. STM을 갖춘 실험실에서 손쉽게 기존 장비를 활용해 양자센서를 구현할 수도 있다.

양자센서는 앞으로 양자물질과 소자 설계, 새로운 촉매 개발, 생화학 분자의 양자특성 탐구 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

공동 교신저자인 배유정 스위스 연방 재료과학기술연구소 그룹리더(전 IBS 양자나노과학 연구단 박사후연구원)은 "우리 연구진이 개발한 양자센서는 MRI만큼 풍부한 이미지를 제공하는 동시에 단일 원자 수준의 공간 분해능을 갖추고 있다"며 "센서의 성능 더욱 향상시켜 새로운 양자기술과 응용분야로 넓혀 나가겠다"고 말했다.

이 연구결과는 나노분야 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지(25일자)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr