IBM 혁신: NMR로 단일 구리 원자의 자성 제어

IBM 연구진이 단일 구리 원자의 자성을 정밀하게 제어하는 기술을 개발하여, 원자 규모 데이터 저장과 양자 컴퓨팅의 기반을 마련했습니다.

최근 Nature Nanotechnology에 발표된 연구에서, 핵자기공명(NMR)을 단일 구리 원자핵에 적용할 수 있음을 입증했습니다. 이 방법은 자기공명영상(MRI)과 분자 구조 분석의 기초가 되는 기술입니다.

IBM의 노벨상 수상 발명품인 주사터널링현미경(STM)을 이용해 단일 원자 NMR을 달성한 것은 이번이 처음입니다. STM의 초미세 금속 팁을 표면을 스캔함으로써 단일 원자의 형상을 감지하고, 심지어 원자를 재배치하여 지역 환경에 따른 NMR 신호 변화를 연구할 수 있습니다.

단일 원자에서 NMR을 수행하려면 두 가지 핵심 단계가 필요합니다: 첫째, 원자핵의 자기 방향을 분극시키고, 둘째, STM 팁에서 원자핵의 고유 공진 주파수에 맞춰 고주파 펄스를 전달해 그 방향을 조작합니다.

자기적 심장을 가진 구리 원자

구리는 탁월한 전도성 덕분에 전기 배선부터 마이크로칩 회로까지 널리 쓰입니다. 벌크 구리는 반자성이라 자석에 끌리지 않지만, 다른 구리 원자로 둘러싸이지 않은 고립된 구리 원자는 자성을 띨 수 있습니다.

단일 구리 원자의 핵자성을 보여주는 예술적 상상도. 원뿔은 원자핵(왼쪽)과 전자(오른쪽)의 자기 북극 방향을 나타냅니다. 빨간 스프링은 둘 사이의 자기 결합을, STM 팁 전류는 원자의 자성을 제어함을 뜻합니다.

원자 규모에서 고립된 구리 원자는 홀전자가 원자핵—그 '심장'—주위를 돌며 자기장을 생성하므로 자성을 띱니다. 구리 원자를 신중하게 선택한 산화마그네슘 표면에 결합시키면, 전자와 원자핵 사이의 초미세 상호작용으로 두 자기 모멘트가 정렬되어 검출 가능한 자기 신호가 생깁니다.

핵자성 활용

핵자기 모멘트는 극히 약해 극저온에서도 열운동에 의해 방향이 요동칩니다. MRI에서는 강력한 외부 자기장으로 수십억 개의 원자핵을 정렬하지만, 열잡음 때문에 신호 세기가 제한됩니다. 단일 원자핵을 제어하기 위해 주변 전자를 매개체로 이용합니다: 초미세 결합이 원자핵을 원하는 방향으로 유도하고, 같은 전자로 그 결과 상태를 읽어냅니다.

STM 팁 끝단에 단일 철 원자를 특별히 설계해, 고주파 에너지를 정밀하게 전달하고 미약한 핵신호를 검출할 수 있게 했습니다.

전류 제어 초기화를 통한 단일 원자 NMR

STM 팁에 전류를 흘려 팁의 자기 방향을 구리 원자핵에 전달합니다—이는 MRAM 메모리 기술에 쓰이는 스핀전달 토크와 유사한 접근입니다. 원자핵이 초기화되면, 같은 원자에서 전자스핀공명(ESR)을 이용해 그 상태를 읽어내는데, 이 기술은 2023년 연구에서 더욱 정교해졌습니다.

산화마그네슘 표면 위 단일 구리 원자들(빨간색)을 STM 팁(회색 피라미드)이 전류를 흘려 탐침하는 모습.

STM 팁에서 보낸 전파가 단일 구리 원자핵에서 NMR을 유도할 수 있음을 추가로 입증했습니다. 원자핵은 외부장에서 팽이처럼 세차운동을 하며, 네 가지 가능한 방향이 서로 다른 양자 상태에 대응합니다. 전파 주파수를 원자핵의 공진 주파수에 맞추면 스핀을 높은 정밀도로 회전시킬 수 있습니다.

이 능력—원자 규모 위치 제어, 단일 원자 NMR, 전기적 제어의 결합—은 핵스핀을 양자 정보 처리에 활용하는 나노자기 및 나노전자 소자 구축의 길을 엽니다.

참고문헌

Electrically controlled nuclear polarization of individual atoms, Kai Yang, Philip Willke, Yujeong Bae, Alejandro Ferrón, Jose L. Lado, Arzhang Ardavan, Joaquín Fernández‑Rossier, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-018-0296-7 (2018)