양자나노과학연구소, 세상에서 가장 작은 MRI 측정 성공
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- 등록일2019.07.03
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본교 연구진이 원자 단 한 개의 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging)을 측정하는 데 성공했다. 원자 하나의 또렷한 MRI를 촬영한 것은 이번이 처음으로, 역대 최초로 세상에서 가장 작은 자기공명영상이 찍힌 셈이다.
물리학과 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 석좌교수가 이끄는 양자나노과학연구소가 미국 연구진과 공동으로 진행한 단일 원자의 자기장 시각화 기술 연구 결과가 7월 1일(월) 세계적 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 게재됐다.
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 피직스’에 발표한 이번 연구를 통해 연구진은 표면 위 원자 한 개에 대한 자기공명영상 측정이 가능함을 증명해 보였다. 이는 기존보다 100배 이상 해상도를 높인 자기공명영상 기법을 구현한 것으로 주목받고 있다.
이번 연구에는 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)이 이용됐다. 연구진은 뾰족한 금속 탐침으로 표면 위를 스캔하여 원자들을 영상화하고 조작할 수 있는 주사터널링현미경을 이용해 전례없는 해상도로 원자가 생성하는 3차원 자기장을 시각화할 수 있었다. 제 1저자인 양자나노과학연구소 필립 윌케 연구위원은 "자기장의 형태로 여러 종류의 원자를 구분할 수 있었고, 이 측정 기술의 강력함을 확인할 수 있었다"고 전했다.
연구진은 향후 단일 원자 자기공명영상 기술을 사용하여 분자 및 자성 물질과 같은 보다 복잡한 구조의 스핀 상태를 시각화할 계획이다. 이러한 세계 수준의 연구 지원을 위해 본교는 양자나노과학연구소가 입주하는 연구협력관에 세계 최고 수준의 무진동 설계를 적용했으며, 주사터널링현미경을 설치한다.
공동 저자인 양자나노과학연구소 배유정 연구위원은 "최근의 자성 저장 장치를 포함해 나노 스케일 물질에서 다양한 자성 현상이 일어나는데 이제 STM을 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 양자나노과학연구소는 이 기술을 사용해 양자 컴퓨팅 등에 쓰일 수 있는 차세대 양자 시스템을 특성화하고 제어하는 데 기여하고자 한다. 이러한 양자나노과학 분야의 심층 연구를 통해 본교는 연구중심대학으로서의 역량을 강화하고, 글로벌 과학연구를 선도해나간다는 계획이다.
교신 저자인 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구소장은 “이 연구는 활용 가치가 높은 놀라운 결과"라며 "일반적으로 생각지도 못한 해상도로 스핀의 자기장을 시각화하는 기술은 물질의 특성을 연구하는 기초과학의 새로운 토대를 마련한 셈"이라고 연구의 의의를 밝혔다.
IBS 양자나노과학연구소는 2017년 1월 설립 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 본교 물리학과 석좌교수로 합류했다. 2017년 조셉키슬리상, 2018년 파인만상을 수상한 바 있는 하인리히 교수는 ‘세상에서 가장 작은 메모리, 원자단위로 정보저장’ 연구로 2018년도 과학기술정보통신부 국가연구개발 중 순수기초·인프라 분야 최우수 성과로 선정되기도 했다.