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기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단이 희토류의 일종인 홀뮴 원자 한 개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는데 성공했다고 학술지 ‘네이처’ 3월 9일자 온라인판에 발표했다.
홀뮴 원자 1개의 스핀을 조정하다
연구팀은 홀뮴 원자 두 개가 가진 위위, 위아래, 아래위, 아래아래 등 네 가지 스핀을 측정하는 데 성공했다. 기존의 실리콘 소재 메모리칩에서는 20만 개의 원자로 가능했던 ‘2비트’의 용량을 단 두 개의 원자로 구현한 셈이다. 이를 이용하면 약 50만 편의 영화를 손톱만한 USB 메모리카드에 담을 수 있다.
연구팀은 영하 271.5°C의 극한 환경에서 ‘주사터널링현미경(STM)’을 이용했다. STM은 미세한 탐침이 있는데, 그 끝이 원자 한 개 크기와 같다. 자연 상태의 홀뮴 원자는 ‘위’와 ‘아래’, 둘 중 하나의 스핀을 갖는다.
연구팀은 STM 탐침에 전류를 흘려 스핀의 방향을 바꿨다. 원자에 정보를 입력하는 것이다. 입력한 정보를 읽는 데는 다른 원자의 스핀 방향 변화에 영향을 크게 받는 철을 사용했다. 쇳가루가 자석 가까이에 가면 배열 형태가 달라지는 것처럼, 철 원자도 자성을 띤 홀뮴 근처에 가면 스핀 방향이 변한다.
홀뮴의 스핀 방향이 변하면서 생기는 자기장은 철 원자의 스핀 방향을 반대로 바꾼다. 철 원자의 방향 변화를 측정하면 홀뮴 원자의 스핀 방향을 간접적으로 파악할 수 있다. 연구진은 이 특징을 이용해 홀뮴에 입력된 정보를 출력하는 데 성공했다.
최태영 IBS 양자나노과학연구단 연구위원은 “두 개의 홀뮴 원자가 만드는 자기장의 영향은 철과의 거리에 따라 다른데 그 차이를 모두 신호로 확인했다”며 “여러 정보를 따로 읽고 쓸 수 있다는 것을 증명한 것”이라고 설명했다.
원자메모리칩, 양자컴퓨터 구현의 출발점
연구를 이끈 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과)은 “두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어 연구가 진행되고, 원자 하나에 입력된 정보를 좀 더 높은 온도에서도 읽고 쓸 수 있게 되면, 향후 양자컴퓨터의 디지털 정보 저장 기본 단위인 ‘큐비트’도 구현할 수 있을 것”이라고 말했다.
홀뮴 원자 1개의 스핀을 조정하다
연구팀은 홀뮴 원자 두 개가 가진 위위, 위아래, 아래위, 아래아래 등 네 가지 스핀을 측정하는 데 성공했다. 기존의 실리콘 소재 메모리칩에서는 20만 개의 원자로 가능했던 ‘2비트’의 용량을 단 두 개의 원자로 구현한 셈이다. 이를 이용하면 약 50만 편의 영화를 손톱만한 USB 메모리카드에 담을 수 있다.
연구팀은 영하 271.5°C의 극한 환경에서 ‘주사터널링현미경(STM)’을 이용했다. STM은 미세한 탐침이 있는데, 그 끝이 원자 한 개 크기와 같다. 자연 상태의 홀뮴 원자는 ‘위’와 ‘아래’, 둘 중 하나의 스핀을 갖는다.
연구팀은 STM 탐침에 전류를 흘려 스핀의 방향을 바꿨다. 원자에 정보를 입력하는 것이다. 입력한 정보를 읽는 데는 다른 원자의 스핀 방향 변화에 영향을 크게 받는 철을 사용했다. 쇳가루가 자석 가까이에 가면 배열 형태가 달라지는 것처럼, 철 원자도 자성을 띤 홀뮴 근처에 가면 스핀 방향이 변한다.
홀뮴의 스핀 방향이 변하면서 생기는 자기장은 철 원자의 스핀 방향을 반대로 바꾼다. 철 원자의 방향 변화를 측정하면 홀뮴 원자의 스핀 방향을 간접적으로 파악할 수 있다. 연구진은 이 특징을 이용해 홀뮴에 입력된 정보를 출력하는 데 성공했다.
최태영 IBS 양자나노과학연구단 연구위원은 “두 개의 홀뮴 원자가 만드는 자기장의 영향은 철과의 거리에 따라 다른데 그 차이를 모두 신호로 확인했다”며 “여러 정보를 따로 읽고 쓸 수 있다는 것을 증명한 것”이라고 설명했다.
원자메모리칩, 양자컴퓨터 구현의 출발점
연구를 이끈 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과)은 “두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어 연구가 진행되고, 원자 하나에 입력된 정보를 좀 더 높은 온도에서도 읽고 쓸 수 있게 되면, 향후 양자컴퓨터의 디지털 정보 저장 기본 단위인 ‘큐비트’도 구현할 수 있을 것”이라고 말했다.
STM 탐침으로 홀뮴 원자에 약한 전류를 흘려 스핀 방향을 조절하고 있다(위).
STM의 전압펄스는 스핀 방향을 바꾸고 이때 홀뮴 원자에서 나온 자기장이 주변에
위치시킨 철 원자(녹색 원)의 스핀 방향을 바꾼다(아래).
현재 글로벌 반도체 기업들은 5nm(나노미터, 10억분의 1미터) 공정을 기술적 한계로 보고 있다. 실리콘 소재를 활용한 전자소자 기술 발전은 한계에 달했고, 그보다 작은 세계인 양자메모리를 만들기 위해 새로운 소재가 필요한 상황이다.
하인리히 교수는 “홀뮴 원자는 1nm 간격으로 배열해도 서로 영향을 주지 않아 그만큼 원자를 촘촘하게 배열할 수 있어 디지털 정보 저장 밀도를 혁신적으로 높일 수 있다”며 “다음 목표는 홀뮴 원자들이 가깝게 붙어 있어도 각 원자의 스핀에 영향을 주지 않는 이유를 규명하고, 상온에서도 똑같은 결과를 내는 실험에 성공하는 것”이라고 밝혔다.
하인리히 교수는 “홀뮴 원자는 1nm 간격으로 배열해도 서로 영향을 주지 않아 그만큼 원자를 촘촘하게 배열할 수 있어 디지털 정보 저장 밀도를 혁신적으로 높일 수 있다”며 “다음 목표는 홀뮴 원자들이 가깝게 붙어 있어도 각 원자의 스핀에 영향을 주지 않는 이유를 규명하고, 상온에서도 똑같은 결과를 내는 실험에 성공하는 것”이라고 밝혔다.
