세계최초 고체표면의 단일원자 특성 관찰에 성공
논문의 주요 내용
□ 논문의 주요 내용
2. 연구 내용
○ 연구는 미국 IBM 알마덴연구소가 보유한 STM으로 진행됐다. STM은 뾰족한 금속 탐침으로 시료를 분석해 원자 단위에서 발생하는 현상을 관찰할 수 있게 해준다. 동시에 STM을 이용해 원자 하나를 집어 다른 위치로 이동시키는 것도 가능하다. 실험에는 자성을 가진 원소인 철(Fe)과 티타늄(Ti)이 사용됐다.
○ 이번 연구에서 얻어낸 과학적 성과는 크게 세 가지다. 첫째는 고체 표면 위에서 단일 원자의 핵스핀을 측정했다는 것이다. 전자스핀과 달리 핵스핀이 내는 에너지는 그 크기가 매우 미세해 현재까지 측정이 어려웠다. 지금까지는 최소 백만 개(10⁶)이상의 원자들이 내는 스핀 신호를 측정해 ‘통계적인 앙상블’만 측정했을 뿐이다. 병원에서 쓰이는 MRI도 이 방법을 사용한다. 반면 연구진은 물리학계의 첨단 기술로 꼽히는 STM과 ESR 기술을 결합해 단일 원자의 핵스핀을 측정할 수 있었다.
○ 두 번째 성과는 핵스핀과 전자스핀 사이 ‘초미세 상호작용’을 토대로 단일 원자의 동위원소를 구분하는 데 성공했다는 것이다. 스핀은 일종의 회전하는 막대자석으로, 핵과 전자의 스핀은 그 방향에 따라 서로 밀거나 끌어당기는 상호작용을 한다. 연구진은 이번 연구를 통해 철(Fe)과 티타늄(Ti)의 동위원소 중 핵스핀을 갖는 동위원소를 구분하는 데 성공했다.
○ 마지막으로 표면 위 원자의 위치에 따라 초미세 상호작용이 변한다는 것을 명확히 밝혔다. 티타늄 원자는 산화마그네슘 표면 위에 놓인 위치에 따라 초미세 상호작용, 즉 스핀의 특성이 달라졌다. 이는 원자의 전자기적 특성이 표면 원자들과의 양자역학적 상호작용에 의해 달라지기 때문이다.
세계최초 고체표면의 단일원자 특성 관찰에 성공
어떤 기관이 갖고 있던 STM이 이번 연구에 이용되었을까
미국 IBM 알마덴연구소