한·독 공동 연구진, 원자 감지하는 양자센서 개발

한국과 독일 공동 연구진이 단일 원자의 특성을 측정할 수 있는 양자센서를 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장이 독일 율리히연구소와 국제 공동연구를 통해 원자의 전기장과 자기장을 정밀하게 측정할 수 있는 양자센서를 개발했다고 25일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 이날 게재됐다.

원자는 광학현미경으로 볼 수 없다. 원자 지름은 0.1~0.2nm에 불과한 반면 빛의 파장은 수백nm에 달하기 때문이다. 연구팀은 양자역학적 현상을 응용한 차세대 센서인 양자센서를 개발해 관찰의 정밀도를 크게 높였다. 주사터널링현미경(STM)의 뾰족한 탐침 끝에 PTCDA라는 분자를 부착하고 전자스핀공명(ESR) 측정으로 원자의 대표적 특성인 전기장과 자기장을 측정하는 방식을 고안했다.

연구팀은 이를 통해 감지 가능한 최소 거리인 공간 분해능을 0.01nm까지 향상시켰다. 원자 지름보다 10배 작은 공간에서 나타나는 변화도 감지할 수 있는 수준이다. 연구팀은 개발한 양자센서가 양자 물질과 소자 설계, 새로운 촉매 개발, 생화학 분자의 양자 특성 탐구 등에 폭넓게 응용될 것으로 기대했다.

공동 교신저자인 배유정 스위스 연방 재료과학기술 연구소 그룹리더는 “물질을 관찰하고 연구하기 위한 도구의 혁명은 축적된 기초과학에서 비롯된다”며 “‘바닥에는 여전히 많은 공간이 있다’는 리차드 파인만의 명언처럼 물질을 단일 원자 수준에서 조작하는 기술의 잠재력은 무한하다”고 말했다.