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이화여대 양자나노과학연구단 하인리히 단장, 세상에서 가장 작은 MRI 측정 성공자기공명영상으로 단일 원자의 자기장 측정.. 전례 없는 해상도 선보여
  • 나동욱 기자
  • 승인 2019.07.02 09:40
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[베리타스알파=나동욱 기자] 이화여대는 물리학과 안드레아스 하인리히 석좌교수가 단장을 맡고 있는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단이 미국 연구진과의 공동연구로 '단일 원자의 자기장을 시각화하는 기술'에 대한 연구 결과를 물리학 분야 학술지인 '네이처 피직스'에 1일(영국시간) 발표했다고 2일 밝혔다.

병원에서 병을 진단할 때 널리 쓰이는 자기공명영상은 몸을 이루는 전자와 양성자 속에 있는 자석과 같은 스핀의 밀도를 측정한다. 전통적으로 자기공명영상을 스캔하기 위해서는 수십억 개의 스핀이 필요하지만, 네이처 피직스에 발표한 이번 연구는 표면 위 원자 한 개에 대한 자기공명영상 측정이 가능함을 증명해 보였다. 연구진은 이를 위해 주사터널링현미경(STM)을 이용했다. 주사터널링현미경은 뾰족한 금속 탐침으로 표면 위를 스캔해 원자들을 영상화하고 조작할 수 있다.

이번 연구에는 자성을 띠는 철과 티타늄 원자를 이용했는데, 정밀하게 준비한 샘플의 표면 위에서 이러한 원자들을 현미경을 이용해 쉽게 볼 수 있었다. 연구진은 자기공명영상 기계가 스캔하듯이 주사터널링현미경 팁을 통해서 전례 없는 해상도로 원자가 생성하는 3차원 자기장을 시각화할 수 있었다. 이를 위해 연구진은 현미경의 탐침 끝에 또 다른 스핀 클러스터를 부착했다. 일반적인 자석처럼 두 개의 스핀은 상대적인 위치에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어낸다. 원자 위에 놓은 팁의 스핀 클러스터를 움직여서 그들의 자기적 상호작용을 시각화할 수 있었다. 연구진이 포착한 자기적 상호작용은 측정 대상인 원자의 스핀과 팁의 스핀 특성에 달려 있다. 예를 들어, 철 원자의 신호는 티타늄 원자의 신호와 크게 다르다는 것이다. 제1저자인 양자나노과학연구단 필립 윌케 박사는 "자기장의 형태로 여러 종류의 원자를 구분할 수 있었고, 이 측정 기술의 강력함을 알 수 있었다"라고 말했다.

연구진은 단일 원자 자기공명영상을 사용해 분자 및 자성 물질과 같은 보다 복잡한 구조의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다. 공동 저자인 양자나노과학연구단 배유정 박사(이화여대)는 "최근의 자성 저장 장치를 포함해 나노 스케일 물질에서 다양한 자성 현상이 일어나는데 이제 현미경을 이용한 자기공명영상 기술로 여러 가지 시스템을 연구할 수 있게 됐다"고 말했다.

이번 연구는 나노 스케일의 자기 구조 분석을 요하는 신물질과 약물을 개발하는 데 활용될 수 있다. 또한 연구진은 이 기술을 사용해 양자 컴퓨팅 등에 쓰일 수 있는 차세대 양자 시스템을 특성화하고 제어하는 데에도 기여할 전망이다.

교신 저자인 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장은 "이 연구는 활용 가치가 높은 놀라운 결과다"라며 "일반적으로 생각지도 못한 해상도로 스핀의 자기장을 시각화하는 기술은 물질의 특성을 연구하는 기초과학의 새로운 토대를 마련한 셈"이라고 말했다.

이화여대에 위치한 IBS 양자나노과학연구단은 2017년 1월 설립된 이래 물질의 표면과 계면에서의 원자 단위 양자 효과를 제어하는 분야에서 세계 최고 수준의 연구를 수행하고 있다. 단장인 안드레아스 하인리히 교수는 20년 가까이 미국 IBM 알마덴 연구소에서 연구활동을 펼친 후 2016년 이화여대 물리학과 석좌교수로 합류했다. 2017년 조셉키슬리상, 지난해 파인만상을 수상한 바 있는 하인리히 교수는 '세상에서 가장 작은 메모리, 원자단위로 정보저장' 연구로 지난해 과학기술정보통신부 국가연구개발 중 순수기초/인프라 분야 최우수 성과로 선정되기도 했다.

(왼쪽부터)안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장, 필립 윌케 연구위원, 배유정 연구위원 /사진=이화여대 제공

 
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나동욱 기자  moai@veritas-a.com

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