MRI로 '원자 스핀 자기장' 첫 촬영…"해상도 100배↑"
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빈동솔
작성일19-07-02 05:25
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IBS 양자나노과학연구단, 미국 IBM 공동연구
원자 1개도 촬영하는 자기공명영상 기술 개발
【서울=뉴시스】원자들의 자기공명영상 측정 데이터. 서로 다른 에너지 기준으로 측정한 티타늄 원자들의 자기공명영상 이미지. 설정한 에너지와 원자의 자기장이 동일한 부분이 밝게 나타난다. (사진/기초과학연구원 제공) [email protected]【서울=뉴시스】이국현 기자 = 원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상(MRI) 기술이 개발됐다. 원자의 스핀 자기장을 시각화하는 세상에서 가장 세밀한 MRI인 셈이다.
기초과학연구원은 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 이화여자대학교 물리학과 석좌교수가 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구를 통해 기존 분자 수준 자기공명영상보다 100배 이상 높은 해상도를 가진 MRI 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재됐다.
MRI는 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해 우리 눈에 보이지 않는 신체 내부를 시각화하는 원리다. 병원의 MRI 촬영에는 보통 수억 개 원자 스핀이 필요하다. 이후 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구가 이뤄졌으나 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 뚜렷하게 보기는 어렵다는 한계가 있었다.
독특한 분자 구조 신소재나 양자소자 등 미시적인 자성 현상을 갖는 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀 시각화가 반드시 필요하다. 눈으로 볼 수 있어야 나노 구조물을 원하는 대로 정확하게 만들 수 있기 때문이다. 연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.
【서울=뉴시스】세상에서 가장 정밀한 MRI 실험 모식도. 자성을 띤 티타늄(적색)과 철(녹색) 원자들이 산화마그네슘 막 위에 놓여 있다. 스핀클러스터(가장 위 초록색)가 붙어 있어 자기공명영상을 측정할 수 있는 주사터널링현미경 탐침(은색)이 원자의 스핀 공명 신호를 감지한다. (그림/기초과학연구원 제공) [email protected]
연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안했다. 스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠어 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다.
한편 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 이후 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 거듭했다.
그 결과, 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로 원자 하나의 뚜렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다.
향후 연구진은 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태를 시각화할 계획이다.
필립 윌케 연구위원은 "최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있다"며 "자기공명영상 기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다"고 말했다.
교신 저자인 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장은 "병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다"며 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"고 밝혔다.
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<저작권자ⓒ 공감언론 뉴시스통신사. 무단전재-재배포 금지.>
IBS 양자나노과학연구단, 미국 IBM 공동연구
원자 1개도 촬영하는 자기공명영상 기술 개발
【서울=뉴시스】원자들의 자기공명영상 측정 데이터. 서로 다른 에너지 기준으로 측정한 티타늄 원자들의 자기공명영상 이미지. 설정한 에너지와 원자의 자기장이 동일한 부분이 밝게 나타난다. (사진/기초과학연구원 제공) [email protected]【서울=뉴시스】이국현 기자 = 원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상(MRI) 기술이 개발됐다. 원자의 스핀 자기장을 시각화하는 세상에서 가장 세밀한 MRI인 셈이다. 기초과학연구원은 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 이화여자대학교 물리학과 석좌교수가 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구를 통해 기존 분자 수준 자기공명영상보다 100배 이상 높은 해상도를 가진 MRI 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 게재됐다.
MRI는 병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰인다. 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해 우리 눈에 보이지 않는 신체 내부를 시각화하는 원리다. 병원의 MRI 촬영에는 보통 수억 개 원자 스핀이 필요하다. 이후 미시세계 연구를 위해 분자 수준까지 측정할 수 있는 자기공명영상 연구가 이뤄졌으나 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 뚜렷하게 보기는 어렵다는 한계가 있었다.
독특한 분자 구조 신소재나 양자소자 등 미시적인 자성 현상을 갖는 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀 시각화가 반드시 필요하다. 눈으로 볼 수 있어야 나노 구조물을 원하는 대로 정확하게 만들 수 있기 때문이다. 연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.
【서울=뉴시스】세상에서 가장 정밀한 MRI 실험 모식도. 자성을 띤 티타늄(적색)과 철(녹색) 원자들이 산화마그네슘 막 위에 놓여 있다. 스핀클러스터(가장 위 초록색)가 붙어 있어 자기공명영상을 측정할 수 있는 주사터널링현미경 탐침(은색)이 원자의 스핀 공명 신호를 감지한다. (그림/기초과학연구원 제공) [email protected]연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안했다. 스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠어 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다.
한편 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 이후 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 거듭했다.
그 결과, 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로 원자 하나의 뚜렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다.
향후 연구진은 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태를 시각화할 계획이다.
필립 윌케 연구위원은 "최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 보고되고 있다"며 "자기공명영상 기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다"고 말했다.
교신 저자인 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장은 "병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다"며 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"고 밝혔다.
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미·유럽 연구팀, 기존 자료 재검토 결과 논문 제출
성간 천체 오무아무아 상상도 [ESO/M.Kornmesser 제공]
(서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 지난 2017년 10월 태양계를 지나간 성간(星間·interstella) 천체 '오무아무아(Oumuamua)'의 정체를 놓고 외계 고등생명체가 보낸 탐사선일 수 있다는 주장이 제기되기도 했지만 인공물이 아니라 우주의 자연적 산물이라는 결론이 도출됐다.
미국 메릴랜드대학(UMD)에 따르면 이 대학 천문학과 매튜 나이트 부교수는 미국과 유럽의 천문학자 14명이 참여하는 연구팀을 꾸려 오무아무아 관련 자료를 재분석한 끝에 얻은 결과를 과학저널 '네이처 천문학(Nature Astronomy)' 최신호에 실었다.
연구팀은 오무아무아가 태양계 밖에서 온 성간 천체로는 처음으로 관측돼 이상한 것이 한 두 가지가 아니고 설명하기 어려운 부분이 있는 것은 인정하지만 그렇다고 설명이 가능한 자연 현상을 배제할 수 없으며, 앞으로 관측 기술의 발달로 다른 성간 천체가 추가로 발견되면 진짜로 이상한 천체인지 확인할 수 있을 것이라고 했다.
길쭉한 붉은 시가 모양의 오무아무아(1L/2017)는 하와이대학의 할레아칼라 천문대에 있는 판 스타스1(Pan-STARRS 1) 망원경으로 처음 포착됐으며 혜성도 아니고 소행성도 아닌 특성을 보인 것으로 관측됐다.
오무아무아의 독특한 회전 [NASA/JPL-Caltech 제공]
혜성처럼 태양 곁을 지날 때 속도가 붙었지만 이런 가속을 만들어내는 가스 방출은 없었다. 또 혜성 주변에서 전형적으로 나타나는 먼지와 가스, 얼음 등으로 된 성운(星雲) 모양물질인 코마(coma)도 발견되지 않았다. 천체 움직임이 소행성에서 기대할 수 있는 포물선 궤도를 따르지도 않아 소행성이라고 할 수도 없다. 이 때문에 일각에서는 외계 고등생명체가 태양계를 탐사하기 위해 보낸 인공물이라는 분석까지 나왔다
연구팀은 오무아무아를 연구해 온 다양한 분야의 전문가가 모여 기존 자료에 대해 처음으로 광범위한 분석을 진행하며 전체적인 상황을 다시 들여다봤다. 이 중에는 연구팀을 이근 나이트 부교수가 오무아무아의 형태와 회전 패턴에 관해 '천체물리학저널 회보(The Astrophysical Journal Letters)'에 발표한 논문도 포함돼 있다.
연구팀은 오무아무아가 원래 있던 곳에서 떨어져 나와 성간을 떠돌게 된 다양한 메커니즘을 검토했다. 예컨대 다른 별을 도는 거대한 가스형 행성에서 떨어져 나왔을 가능성도 그 중 하나로 볼 수 있다.
목성도 이런 식으로 태양계 끝에 작은 천체들이 몰려있는 오르트 구름(Oort clous)을 만들었을 수 있으며 이 중 일부가 태양의 중력에서 빠져나가 성간 천체가 됐을 수도 있다는 것이다.
연구팀은 "태양계에서 오무아무아와 같은 천체를 본 적이 없고 아직 미스터리로 남아있지만 독특한 것이 발견되지 않는다면 우리가 알고있는 추론을 고수할 수 밖에 없다"면서 "외계 우주선 가설은 재미있는 생각이지만 우리 분석은 설명이 가능한 자연현상들로 차고 넘친다"고 했다.
연구팀은 또 오무아무아가 처음으로 관측되기는 했지만, 태양계를 찾아온 첫 성간 천체라는 데 대해서는 의문을 갖고 있다.
태양 앞의 오무아무아 상상도 [AFP=연합뉴스]
이 때문에 칠레 중부 체로 파촌에 건설되고 있는 구경 8.4m 짜리 차세대 망원경인 '대형 시놉티 관측 망원경(LSST)'이 2022년부터 본격적으로 가동되면 오무아무아와 같은 천체가 더 많이 관측될 것으로 기대하고 있다.
나이트 부교수는 보도자료를 통해 "앞으로 10년 안에 오무아무아와 같은 천체를 더 많이 보기 시작할 것으로 예상하고 있다"면서 "LSST는 태양계를 찾아오는 작은 천체를 찾아내는 능력에서 현재 가진 어떤 망원경도 능가할 것"이라고 했다.
그러면서 "우리가 이런 새로운 천체를 매년 보게 된다면 그때야 오무아무아가 이상한 것인지 아니면 일반적인 것인지 알게 될 것"이라면서 "10~20개 정도 새롭게 발견된 뒤에도 오무아무아가 여전히 비정상적인 것으로 보인다면 우리의 설명을 재검토하게 될 것"이라고 했다.
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미·유럽 연구팀, 기존 자료 재검토 결과 논문 제출
성간 천체 오무아무아 상상도 [ESO/M.Kornmesser 제공] (서울=연합뉴스) 엄남석 기자 = 지난 2017년 10월 태양계를 지나간 성간(星間·interstella) 천체 '오무아무아(Oumuamua)'의 정체를 놓고 외계 고등생명체가 보낸 탐사선일 수 있다는 주장이 제기되기도 했지만 인공물이 아니라 우주의 자연적 산물이라는 결론이 도출됐다.
미국 메릴랜드대학(UMD)에 따르면 이 대학 천문학과 매튜 나이트 부교수는 미국과 유럽의 천문학자 14명이 참여하는 연구팀을 꾸려 오무아무아 관련 자료를 재분석한 끝에 얻은 결과를 과학저널 '네이처 천문학(Nature Astronomy)' 최신호에 실었다.
연구팀은 오무아무아가 태양계 밖에서 온 성간 천체로는 처음으로 관측돼 이상한 것이 한 두 가지가 아니고 설명하기 어려운 부분이 있는 것은 인정하지만 그렇다고 설명이 가능한 자연 현상을 배제할 수 없으며, 앞으로 관측 기술의 발달로 다른 성간 천체가 추가로 발견되면 진짜로 이상한 천체인지 확인할 수 있을 것이라고 했다.
길쭉한 붉은 시가 모양의 오무아무아(1L/2017)는 하와이대학의 할레아칼라 천문대에 있는 판 스타스1(Pan-STARRS 1) 망원경으로 처음 포착됐으며 혜성도 아니고 소행성도 아닌 특성을 보인 것으로 관측됐다.
오무아무아의 독특한 회전 [NASA/JPL-Caltech 제공]혜성처럼 태양 곁을 지날 때 속도가 붙었지만 이런 가속을 만들어내는 가스 방출은 없었다. 또 혜성 주변에서 전형적으로 나타나는 먼지와 가스, 얼음 등으로 된 성운(星雲) 모양물질인 코마(coma)도 발견되지 않았다. 천체 움직임이 소행성에서 기대할 수 있는 포물선 궤도를 따르지도 않아 소행성이라고 할 수도 없다. 이 때문에 일각에서는 외계 고등생명체가 태양계를 탐사하기 위해 보낸 인공물이라는 분석까지 나왔다
연구팀은 오무아무아를 연구해 온 다양한 분야의 전문가가 모여 기존 자료에 대해 처음으로 광범위한 분석을 진행하며 전체적인 상황을 다시 들여다봤다. 이 중에는 연구팀을 이근 나이트 부교수가 오무아무아의 형태와 회전 패턴에 관해 '천체물리학저널 회보(The Astrophysical Journal Letters)'에 발표한 논문도 포함돼 있다.
연구팀은 오무아무아가 원래 있던 곳에서 떨어져 나와 성간을 떠돌게 된 다양한 메커니즘을 검토했다. 예컨대 다른 별을 도는 거대한 가스형 행성에서 떨어져 나왔을 가능성도 그 중 하나로 볼 수 있다.
목성도 이런 식으로 태양계 끝에 작은 천체들이 몰려있는 오르트 구름(Oort clous)을 만들었을 수 있으며 이 중 일부가 태양의 중력에서 빠져나가 성간 천체가 됐을 수도 있다는 것이다.
연구팀은 "태양계에서 오무아무아와 같은 천체를 본 적이 없고 아직 미스터리로 남아있지만 독특한 것이 발견되지 않는다면 우리가 알고있는 추론을 고수할 수 밖에 없다"면서 "외계 우주선 가설은 재미있는 생각이지만 우리 분석은 설명이 가능한 자연현상들로 차고 넘친다"고 했다.
연구팀은 또 오무아무아가 처음으로 관측되기는 했지만, 태양계를 찾아온 첫 성간 천체라는 데 대해서는 의문을 갖고 있다.
태양 앞의 오무아무아 상상도 [AFP=연합뉴스] 이 때문에 칠레 중부 체로 파촌에 건설되고 있는 구경 8.4m 짜리 차세대 망원경인 '대형 시놉티 관측 망원경(LSST)'이 2022년부터 본격적으로 가동되면 오무아무아와 같은 천체가 더 많이 관측될 것으로 기대하고 있다.
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