IBS "양자 물질·새로운 촉매 개발 등에 활용"

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원자 세계까지 보는 양자 센서 기존 STM으로 얻은 이미지(왼쪽)와 연구팀이 개발한 양자센서로 얻은 이미지(오른쪽) [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

기초과학연구원(IBS) 안드레아스 하인리히 양자나노과학 연구단장 연구팀은 독일 율리히연구소와 공동으로 원자 세계를 읽는 양자 센서를 개발했다고 25일 밝혔다.

물질 특성을 이해하기 위해서는 원자 수준에서 전기장과 자기장을 측정하는 것이 중요하지만, 원자 지름이 1∼2Å(옴스트롱:1Å은 1천만분의 1㎜)에 불과해 기존 광학현미경으로는 관찰하기 어렵다.

양자 얽힘(빛의 최소단위인 광자 입자 둘 이상이 연결되면 거리와 상관없이 서로 연관된 양자 상태를 갖는 현상) 등 양자역학적 현상을 이용해 물체를 정밀하게 측정하기 위한 양자 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기존 양자 센서로는 원자 수준의 분해능(식별 능력)을 얻는 데 한계가 있었다.

연구팀은 양자 물질을 위한 일종의 자기공명영상장치(MRI)를 고안했다.

기존 주사터널링현미경(STM·뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰하는 기술)의 탐침 끝에 'PTCDA'라는 분자를 부착해 전자스핀공명(ESR·전자의 스핀 방향이 바뀌는 과정에서 방출하는 에너지를 토대로 원자 내부 상태를 파악하는 기술)을 측정하는 방식이다.

PTCDA 분자가 탐침과 접촉하고 있는 상태에서도 재료에 대한 전자스핀공명을 측정할 수 있다.

연구팀은 개발한 기술을 이용해 은과 철이 섞인 물질에서 각 원자의 전기장과 자기장을 측정하는 데 성공했다.

개발된 센서의 공간분해능은 0.1Å 수준으로, 원자 지름의 10분의 1에 불과해 작은 공간에서 나타나는 변화까지 감지할 수 있다.

양자 물질과 소자 개발, 새로운 촉매 설계 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

공동 제1저자인 타너 에삿 독일 율리히연구소 연구원은 "STM을 갖춘 실험실이라면 기존 장비를 활용해 양자 센서를 구현할 수 있다"며 "MRI만큼 풍부한 이미지를 제공하는 동시에 단일 원자 수준의 공간 분해능을 갖춘 '게임 체인저'가 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 실렸다.

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양자 센서의 구동 원리 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]