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IBS 양자나노과학 연구단, 원자 1개 자기장 관찰하는 데 성공자성을 띤 티타늄(적색)과 철(녹색) 원자들이 산화마그네슘 막 위에 놓여있다. 스핀 클러스터(가장 위 초록색)가 붙어 있어 자기공명영상을 측정할 수 있는 주사터널링현미경 탐침(은색)이 원자의 스핀 공명 신호를 감지한다. IBS 제공. 세상에서 가장 세밀하게 인체를 들여다볼 수 있는 자기공명영상(MRI) 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과 석좌교수)이 이끄는 연구진이 미국 IBM과의 공동연구를 통해 원자 1개의 자기장을 관찰할 수 있는 MRI 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 분자 수준의 MRI보다 해상도를 100배 이상 높인 기술이다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스’에 2일(현지시간) 게재됐다.

MRI는 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 신체를 구성하는 원자의 스핀이 외부 자기장에 반응한 결과를 이용해 신체 내부를 시각화한다. 원자의 스핀은 양자역학에서 입자가 지니는 운동량을 말한다. 원자 스핀이 한 방향으로 정렬하면 자성이 생긴다.

병원에서 사용되는 MRI 기기 촬영에는 보통 수억 개의 원자 스핀이 필요하다. MRI 기기로 고주파 자기장을 발생시키면 인체 내부의 수소 원자핵이 공명한다. 이 때 나오는 신호의 차이를 측정하고 컴퓨터를 이용해 영상으로 만든다. 분자 수준까지 측정할 수 있는 MRI 연구가 지금까지 이뤄졌지만 해상도가 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 수준에 그쳐 개별 원자 수준까지 또렷이 보기는 어려웠다.

독특한 분자 구조 소재나 미시적으로 자성을 나타내는 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀을 시각화하는 게 필요하다.
안드레아스 하인리히 단장. IBS 제공. 연구진은 ‘주사터널링현미경(STM)’에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.

연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 이른바 ‘스핀 클러스터’를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안한 것이다. 스핀 클러스터는 기존 탐침 원자와는 달리 자기장을 띠기 때문에 연구진은 시료 원자의 스핀과 자기장 상호작용이 일어날 것으로 예측했다.

연구진은 또 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 그런 뒤 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 1개를 시각화하기 위해 실험을 반복했다.

그 결과 연구진은 표면 위 원자 1개와 스핀 클러스터 사이의 자기장이 상호작용하는 공명 현상을 읽는 데 성공했다. 이는 기존 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로 원자 1개의 또렷한 자기공명영상을 최초로 촬영한 것이다.

연구진은 이번에 개발된 기술을 이용해 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속에 있는 원자 하나하나의 스핀 상태를 시각화하는 연구를 진행할 계획이다. 연구논문의 제1저자인 필립 윌케 IBS 양자나노과학 연구단 연구위원은 “고체 표면이나 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다”고 말했다.

안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장은 “물리시스템도 결국 더욱 세밀하고 정확하게 분석해야 변형과 응용이 가능하다”며 “이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다”고 밝혔다.

[김민수 기자 [email protected]]