하인리히 IBS 단장 '원자단위' 정보저장 기술 개발
홀뮴 원자 자기변화로 디지털신호 읽기·쓰기 성공
IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) 양자나노과학 연구단 단장 연구팀이 홀뮴(Ho) 원자 하나로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는데 성공했다고 9일 밝혔다.
홀뮴 원자는 원자번호 67번의 희토류 원소로 자기 모멘트가 전체 원소 중 가장 크다. 의료용 레이저나 분광기의 파장 보정용 등으로 쓰인다.
현재 상용화된 메모리는 1비트 구현에 약 10만개 원자가 필요하다. 사실상 이보다 작은 저장단위는 이론적으로 불가능하다.
연구팀은 미국 IBM 알마덴 연구소의 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope)으로 진행했다. 주사터널링현미경 조작으로 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자는 위(up)와 아래(down) 방향 둘 중 하나의 '스핀'을 갖는다.
두 경우 전류 크기가 서로 달라 주사터널링현미경으로 전류를 측정해 원자의 스핀을 읽을 수 있다. 만약 주사터널링현미경 탐침으로 홀뮴 원자에 전압 펄스를 가하면 홀뮴 원자의 스핀이 반대로 바뀐다.
또 연구팀은 홀뮴 원자 옆에 철 원자를 놓아 홀뮴 스핀을 읽는 일종의 원격 센서로 활용했다. 홀뮴이 만드는 자기장은 철 원자를 반대 방향으로 자화시킨다. 이때 철 원자의 전자스핀공명을 측정하면 홀뮴 원자 스핀을 쉽게 감지할 수 있다.
연구팀은 홀뮴 원자 두 개로 총 네 가지 전자스핀공명 신호를 구분 지어 읽는데도 성공했다. 홀뮴 원자들은 1nm 정도 간격으로 밀집해도 서로 영향을 주지 않았다. 그만큼 원자를 촘촘히 배열할 수 있어 저장밀도를 혁신적으로 높일 수 있다.
하인리히 단장은 "홀뮴 원자들이 근접해도 스핀에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났는데 그 이유를 규명하고 보다 높은 온도에서 재현하는 것이 다음 목표"라며 "두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어가 가능하도록 추가적인 연구가 뒷받침되면 양자컴퓨팅을 위한 큐비트를 만들 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 9일자 온라인판으로 게재됐다.
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