기초과학硏 양자나노과학연구단
'원자' 자기장 시각화 기술 개발
'원자' 자기장 시각화 기술 개발
IBS 제공
국내외 연구진이 세상에서 가장 세밀한 MRI(자기공명영상)를 얻을 수 있는 기술을 선보였다.
기초과학연구원(IBS) 양자나노과학연구단은 미국 IBM과 공동으로 물질을 이루는 최소 입자인 '원자' 한 개의 자기장을 시각화 할 수 있는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
자기공명영상은 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해 신체 내부를 시각화한 것으로, 병원에서 병을 진단할 때 많이 쓰인다. 자기공명영상기기로 촬영하려면 수억 개의 원자 스핀이 필요하지만, 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 명확하게 보기 어려운 기술적 한계가 있다. 이를 해결하기 위해선 개별 원자 스핀을 시각화해 눈으로 보면서 나노구조물을 원하는 대로 정확하게 만들어야 한다. 이를 가능케 한 것이 '주사터널링 현미경'인데, 연구팀은 현미경의 아주 뾰족한 금속 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 '스핀 클러스터'를 부착하는 방법을 활용했다.
자석처럼 서로 끌어 당기거나 밀어내는 스핀의 성질을 이용해 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호 작용으로 움직이게 함으로써, 원자 한 개를 시각화할 수 있게 구현한 것이다. 여기에 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다.연구팀은 이를 기반으로 시료 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명 에너지를 관찰하는 데 성공했다. 이는 기존 분자 수준 자기공명영상에 비해 100배 높은 해상도로, 원자 하나의 자기공명영상을 또렷하게 촬영하는 최초의 성과라고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이 기술을 토대로 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태를 시각화할 계획이다.
제1저자인 필립 윌케 연구위원은 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"며 "고체 표면이나 앙자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구하는 핵심 기술로 활용될 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(2일자)' 온라인판에 실렸다.
대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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