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물리학전공 안드레아스 하인리히 교수, 세상에서 가장 작은 저장매체 선보여

-본교 양자나노과학 연구단(Center for Quantum Nanoscience·QNS) 단장 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 물리학전공 교수가 이론상 세상에서 가장 작은 저장매체를 선보였다. 하인리히 교수는 단일원자의 위치 및 양자상태 제어 분야를 선도하고 있는 세계 최정상급 연구자이다.

1965년 발표된 ‘무어의 법칙(마이크로칩에 저장 가능한 데이터 양이 18개월마다 2배씩 증가한다)’에도 불구하고, 전자소자의 지속적인 소형화는 실리콘 소재의 한계로 인해 제동이 걸렸다. 그러나 물질의 최소 단위인 ‘원자’ 하나로 1비트(bit, 디지털신호의 최소 단위)를 구현할 경우 저장매체의 획기적인 소형화가 가능하다.

하인리히 교수는 홀뮴(Ho) 원자 1개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다. 현재 상용화된 메모리의 1비트 구현에 약 십만 개의 원자가 필요하고 사실상 이번 연구결과보다 작은 저장단위를 만드는 것은 이론적으로 불가능하다.

본 연구는 미국 IBM 알마덴 연구소와 함께 이끌었으며, 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope, STM)으로 진행됐다. STM은 원자 하나 크기의 미세탐침이 끝에 달린 현미경으로, 탐침으로 전류를 흘려 각 원자의 자기적 상태를 측정하거나 위치를 바꿀 수 있다.

연구진은 1.5K(영하 271.5℃)의 극한 환경에서 산화마그네슘(MgO) 표면에 저장매체 역할을 하는 홀뮴(Ho) 원자와 원격센서 역할을 하는 철(Fe) 원자를 놓고 실험했다. STM 조작으로 홀뮴 원자의 스핀 방향을 위(up) 또는 아래(down)로 바꾸었는데, 이는 각각 1비트의 디지털신호 ‘0’과 ‘1’을 홀뮴 원자 하나로 저장하는 셈이 된다. 홀뮴 원자의 자기상태(up 또는 down)에 따라 옆에 있는 철 원자의 자화상태가 바뀌는데, 이 때 철 원자의 전자스핀공명(Electron Spin Resonance, ESR)을 측정해 홀뮴 원자의 자기장 방향을 감지할 수 있다. 또한 근접한 두 개의 홀뮴 원자들에서는 4가지 ESR 신호를 구분지어 읽을 수 있다. 홀뮴 원자들은 1나노미터(nm) 정도 간격으로 밀접해도 서로 영향을 주지 않으므로, 원자를 촘촘히 배열해 저장밀도를 혁신적으로 높일 수 있다.

단일원자의 ESR 측정은 연구진의 독점 기술로, 원자가 만드는 자기장을 감지해 디지털신호를 읽는 방법이다. 해당 내용은 나노기술 분야의 유명 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 3월 6일(월) 소개됐다.

본 연구의 공동교신저자인 하인리히 교수는 “홀뮴 원자들이 근접해도 서로의 스핀에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났는데, 그 이유를 규명하고 보다 높은 온도에서 재현하는 것이 다음 목표”라며 “두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어가 가능하도록 추가적인 연구가 뒷받침되면 양자컴퓨팅을 위한 단일원자 기반 큐비트(qubit)로의 응용 가능성도 엿볼 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 3월 9일(목) 게재됐다.

한편 본교 양자나노과학연구단(http://qns.science/)은 기초과학연구원(IBS)과의 협약을 통해 2017년 1월 설립됐으며, 단장인 안드레아스 하인리히 교수는 20년 가까이 미국 IBM 알마덴 연구소에서 연구활동을 펼친 후 2016년 본교 물리학과 석좌교수로 합류했다. 이번 연구의 성공은 실리콘 소재 전자소자의 발전 한계를 극복하고, 나아가 단일원자를 기반으로 하는 큐비트 연구의 초석이 될 것으로 기대된다.