세계최초 고체표면의 단일원자 특성 관찰에 성공
연구결과개요
1. 연구배경
ㅇ 원자의 양자역학적 성질을 살린 전자소자를 개발하려면 원자 하나하나의 전자기적 특성을 파악할 수 있어야 한다. 자성의 기본 단위인 ‘스핀’을 파악하는 것이 이런 응용에 있어 가장 중요하다. 스핀은 회전하는 원자핵이나 전자가 갖는 각운동량으로 일종의 회전하는 막대자석으로 비유할 수 있다. 원자핵과 전자에 각각 위치한 두 막대자석은 회전 상태에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어내는 상호작용을 하고, 이를 ‘초미세 상호작용’이라 말한다.
ㅇ 지금까지 최소 백만 개 이상 원자들이 내놓는 신호를 토대로 원자의 핵스핀 특성을 통계적으로 유추할 뿐, 표면 위 단일 원자의 스핀 특성을 정밀하게 파악하긴 어려웠다. 수백만 개의 원자로 구성되는 현재의 디지털 장치 구현에는 통계적 특성을 고려해도 무리가 없다. 하지만 원자 하나가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자를 구현하기 위해서는 표면 위에 놓인 단일 원자의 스핀 특성을 규명하는 일이 필요하다.
ㅇ IBS 양자나노과학 연구단은 2017년 설립 이후부터 원자 수준의 해상도로 표면을 관찰하는 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 원자의 양자적 특성에 대한 연구를 진행하고 있다. 지난해에는 단일 원자에 1비트(0과 1)의 디지털 신호를 구현할 수 있는 ‘세상에서 가장 작은 메모리’ 개발에도 성공했다(Nature, 2017.03.09.). 이후 현재까지 0과 1의 신호뿐 아니라 그 둘이 중첩된 상태를 이용하는 양자컴퓨터 구현을 위한 기초연구를 진행하고 있다.
세계최초 고체표면의 단일원자 특성 관찰에 성공
어떤 상호작용이 원자핵과 전자에 각각 위치한 두 막대자석이 회전 상황에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어내니
초미세 상호작용