단일 원자 원자핵의 자기 신호 최초 측정

실리콘밸리에 위치한 IBM 리서치 알마덴 연구소가 사상 최초로 단일 원자 원자핵이 생성하는 자기장을 측정하는 데 성공했습니다. 이 발견은 Science 저널에 게재되었으며, 원자핵의 미묘한 자기 영향이 주변 전자에 미치는 효과를 통해 검출될 수 있음을 입증했습니다. 이 기술은 동위원소 정보—구체적으로 중성자 수—를 제공하고, 원자의 자화율이 지역 원자 환경에 따라 어떻게 변하는지 매핑합니다. 이 결과는 나노스케일 센싱의 새 지평을 열었으며, 핵기반 스핀트로닉 소자로 나아가는 중대한 진전입니다.

양자나노과학센터(QNS), 옥스퍼드 대학교, 이베리아 국제나노기술연구소와의 협력으로, 철과 티타늄 원자를 정교하게 준비된 기판 위에 고립시켜 배치했습니다. 측정에는 IBM의 노벨상 수상 장비인 주사터널링현미경(STM)을 사용했으며, 나노미터급 금속 팁으로 개별 원자를 원자 정밀도로 이미징하고 조작합니다.

2021년 우리 팀은 원자의 전자적 자성을 검출하고 나노스케일 자기 탐침으로 활용하는 능력을 입증한 바 있습니다. 그 연구를 바탕으로 이제 감도를 핵 수준으로 끌어올려, 원자 핵의 훨씬 약한 자기 신호를 밝혀냈습니다.

초미세 상호작용—핵스핀과 전자 상태 간의 결합—은 핵자성을 검출하는 통로를 제공합니다. 단일 원자를 재배치하거나 두 번째 원자를 가까이 가져가면 초미세 분열이 변하는 것을 관찰했습니다. STM으로 개별 원자를 재배치함으로써 이 상호작용이 화학적 결합 환경에 매우 민감함을 보였습니다. 예컨대 네 이웃과 결합된 티타늄 원자는 단일 산소 원자 위에 고립된 경우보다 현저히 강한 초미세 신호를 보였습니다. 데이터는 이웃 자기 원자들이 상호작용을 조절함을 보여주며, 결합된 자성이 양자역학적 규칙을 따름을 설명합니다.

원자핵은 양성자와 중성자로 구성되며, 양성자 수가 원소를 정의하고 중성자 배열이 다른 동위원소를 만듭니다. 핵자성은 스핀—작은 회전하는 대전 구체처럼 행동하는 양자적 속성—에서 기인합니다. 선택된 동위원소만 핵스핀을 가지며, 지구 핵의 자기장과 맞먹는 미세한 자기장을 생성합니다. 이 장을 검출하는 것은 극히 어렵습니다. 기존 MRI는 수조 개의 원자핵에서 나오는 집단 신호에 의존하기 때문입니다.

단일 원자핵을 탐침하기 위해 주변 전자의 자기장을 활용합니다. 전자 스핀이 핵보다 약 1000배 강한 자기장을 생성하지만, 단일 원자 수준에서 이를 측정하는 것 역시 까다롭습니다. 우리 접근법은 초저온, 진동 차단, 극저온 진공을 결합해 원자를 고정시키고 잡음 없는 측정을 가능케 합니다.

스핀 분해 전자스핀공명(ESR)을 STM 팁을 탐침이자 안테나로 이용해 수행합니다. 마이크로파 주파수를 전자 세차율—초당 수십억 사이클—에 맞추면, 지역 자기장의 미세한 변화를 반영하는 공진 주파수 이동을 검출합니다. 이 방법은 단일 원자의 스핀 상태를 분해하면서 동시에 그 위치와 주변 격자를 이미징해, 원자 규모 자기 상호작용에 전례 없는 시야를 제공합니다.

이전에는 이 기술로 표면 위 이웃 철·티타늄 원자의 자기장을 매핑했습니다. 또한 고립된 홀뮴 원자가 안정적인 나노스케일 자기 메모리 역할을 함을 발견했습니다. 이러한 기초 연구들이 현재 획기적 성과—개별 원자핵의 자성 측정과 동위원소 정보 추출—로 이어졌습니다.

논문: Hyperfine interaction of individual atoms on a surface