[뉴스웍스=문병도 기자] 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 연구팀이 주사터널링현미경(STM)을 이용하여 표면 위 분자의 전자스핀공명(ESR)을 측정하는데 성공했다. 

정보처리 장치의 소형화로 인해 개별 스핀을 소자에 이용하는 것에 대한 관심이 커졌다. 원자나 분자들로 양자 소자를 만들기 위해서는 두 스핀의 상호작용을 완벽히 제어해야 한다. 이를 위해 분자 하나의 스핀부터 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 

연구진은 주사터널링현미경에 주로 쓰이는 단일 철(Fe) 원자의 특성에 착안해 단일 원자 및 분자들의 전자스핀공명과 자기적인 상호작용을 안정적으로 측정했다. 

실험 대상인 철프탈로시아닌(FePc)은 철원자가 분자의 중앙에 있는 고리 유기화합물로, 유기물 태양전지, 나노구조물 합성, 화학 촉매물 등으로 폭넓게 사용되는 분자이다. 

연구진은 은(Ag) 기판의 산화마그네슘(MgO) 절연막 위에 철프탈로시아닌(FePc) 분자, 철(Fe) 원자, 티타늄(Ti) 원자를 증착하고, 전자스핀공명 현상을 이용해 분자와 원자들의 미세한 자기 상호작용을 관찰했다.

연구는 전자스핀공명의 측정 대상을 기존 원자에서 분자로 확대했다는 데 의의가 크다. 

분자는 단일 원자 대비 확장성이 매우 크며 화학적인 응용 범위가 무한하기 때문이다. 기존에 분자의 전자스핀공명을 측정한 연구는 시각화가 어려워 어느 분자를 측정 중인지 알 수 없었다. 이번 기술은 분자를 눈으로 직접 보고 제어할 할 수 있어 나노구조물을 원하는 대로 만드는 데 응용될 수 있다.

양자-결맞음 상태, 스핀의 양자 성질 등을 제어할 수 있어 양자 센싱 및 양자 정보 과학 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 

수에 장 연구위원은 "원자 규모의 양자 상태를 연구할 때 단일 분자의 성질을 파악하는 것이 매우 중요한데, 이번 연구는 분자들의 자기적인 상호작용을 측정하는 의미 있는 기술"이라며 "분자 기반의 스핀 소자나 양자 소자 개발에 중요한 발판이 될 것"라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 네이처 케미스트리에 12일 게재됐다.

양자나노과학 연구단(QNS)은 2017년에 한국의 기초과학 연구를 확대하고자 하는 목적으로 이화여대에 설립됐다. 표면과 계면의 원자와 분자가 지닌 양자의 특성을 연구하는 데 주력하면서, 이 영역의 양자를 감지하고 계산하는 것을 장기적인 목표로 삼고 있다.

양자나노과학 연구단은 설립된 지 2년도 되지 않아 성과를 내기 시작했다. 2019년 주사 터널링 현미경을 이용해 디지털 메모리를 산화마그네슘(MgO) 표면의 단 하나의 홀뮴 원자 단위로 줄이는데 성공했다. 이 정도로 정밀하게 제어한다면 양자 컴퓨팅의 기초 단위의 후보군이 나올 수도 있다.

안드레아스 하인리히 연구단장은 1998년 궤팅겐대학교에서 박사학위를 받았으며 미국 산호세에 위치한 IBM 연구소에서 박사 후 과정 연구원으로 시작해 빠른 시간에 연구 그룹 리더가 되었다. 그의 그룹은 지속적으로 혁신적인 연구 결과를 선보였으며 일반 대중을 위한 과학문화 활동도 성공적으로 이끌고 있다.