IBM, 원자 단위의 자기 상태 통제에 성공
이 방법은 점차 원자 단위화 되어가고 있는 미래형 컴퓨터 회로 연구와 정보저장 장치 작동 방식의 이해 뿐 아니라, 원자 단위의 자기 현상을 응용한 신소재 및 컴퓨팅 장치 개발의 기초를 마련하는데 큰 기여를 할 것으로 보인다.
안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich) IBM 알마덴 연구소(캘리포니아 산호세 소재) 연구원은 이와 관련, "이번 결과로 원자 단위 자기 연구의 새로운 장을 열게 됐다. 원자를 배치할 수 있는 기술과 함께 정밀하게 고안된 구조 내에서 원자 상호간의 자기 반응을 측정하고 통제할 수 있게 됐다"고 밝혔다.
지안-루카 보나 IBM 알마덴 연구소 과학기술 책임자는 "이번 연구는 컴퓨터 업계의 장기적인 미래를 위해 매우 필요한 부분이다. 20년 후에는 단순히 소형화하는 것만으로는 기존의 트랜지스터와 마이크로 전자회로 기기의 향상을 꾀하는 것이 한계에 봉착하게 될 것이다. 그로 인해 미래에는 이를 대체하는 전혀 새로운 구조가 필요하며, 이는 현재와는 전혀 다른 컴퓨팅 기술과 방법을 필요로 할 것이다. IBM이 이번 발표한 연구 성과는 이를 촉진하는데 큰 도움이 될 것으로 생각한다." 고 언급했다.
IBM 연구진은 이외에도 이러한 새로운 기술이 앞으로 다음과 같은 분야에서 응용될 것으로 기대하고 있다.
- 전자기적으로 결합된 소수의 원자들이 가진 집합성을 반전시키는 데 필요한 에너지를 만들어냄으로써 자기 정보 저장의 한계 탐구
- 스핀 와이어와 분자 운동 캐스케이드의 스핀 버전 실행 가능성 결정 - 이것은 2002년 연구팀의 성과로서 기존 실리콘 디자인보다 26만 배나 작은 (또는 무어의 법칙에 따라 50년 동안 소형화된 회로) 컴퓨터 회로를 구성하는 분자 배열을 포함함
- 스핀 상호작용이 어떻게 양자 컴퓨터와 같은 양자 정보 시스템에 적용될 수 있는지 연구
한편 스핀 자극 분광학 (spin-excitation spectroscopy)으로 불리는, 이번 연구에 사용된 방법은 IBM의 저온 STM (scanning tunneling microscope: 주사형 터널링 현미경)을 이용한다. STM은 지구 자기장보다 14만 배나 더 센 자기장 내에서 사용될 목적으로 만들어졌다. 연구원들은 우선 원자를 이동시킨 후 자기(magnetism)의 기본 요소인 원자 스핀(atomic spins) 사이의 상호작용을 측정한다.
이번 실험에서 IBM 연구원들은 극도로 얇은 전기 절연 표면 위에 최고 10개의 망간 원자 체인을 만들어냈다. 또한 새로운 원자가 추가될 때마다 자기 성질이 어떻게 변하는지를 측정했다. 그 결과 짝수의 원자 체인은 순자기 (net magnetism) 성질을 갖지 못한 반면 홀수의 원자 체인은 순자기 성질을 갖는 것으로 나타났다.
IBM이 발표한 새로운 실험 결과는 <사이언스> 지에 실리는 논문 중에서도 편집 위원회에 의해 시의적절하고 중요하다고 판단되는 주요 논문만을 엄선해 긴급 보도하는 인터넷판 '사이언스 익스프레스'(Science Express)에 최근 게재됐다. 논문의 저자는 Cyrus Hirjibehedin, Christopher Lutz, Andreas Heinrich 이다.
< 연구 배경 >
새로 발표된 기술은 IBM 연구팀이 2004년 말 개발한 스핀 반전 분광법 (spin-flip spectroscopy - 단일 원자들의 자기 성질을 측정하는 방법)에 기초하고 있다. 이러한 실험을 위해 산화 알루미늄 절연 표면이 사용됐다. 그러나 산화 알루미늄 절연 표면 위에서 원자를 이동시키는 것은 불가능했다. 사실, IBM 연구팀이 1990년 STM을 이용해 금속 표면 위의 개별 원자들을 이동시키고 배열시키는 방법을 발표한 이후 절연 표면 위에서의 원자 이동과 배열에 성공한 연구는 없었다. 절연 표면은 복잡하고 거칠며 쉽게 손상되고, 원자와 만났을 때 다양한 힘을 발생시키기 때문이다. 원자 자기 성질을 측정하는 실험을 위해서는 절연 표면이 필요하다. 그 이유는 금속 내에서 많은 수의 전도성 전자들이 실험 대상이 되는 개별 원자들의 스핀 변화량을 압도하고 상쇄하기 때문이다.
스핀 자극 분광학 (spin-excitation spectroscopy) 실험을 위해서 IBM 과학자들은 부드러운 구리 금속 표면을 질화 구리로 막을 입힌 절연체로 변형시켰고, 이를 통해 성공적인 결과를 이끌어 낼 수 있었다.
전자의 스핀 물성을 이용하는 스핀트로닉스 (spintronics)는 기존의 전기 전하의 흐름과 함께 또는 전기 전하 대신 전자와 원자의 자기 성질을 이용한 새로운 종류의 전자 회로를 의미한다 (“스핀”이라고 불리는 양자 성질). 전자 스핀은 “상승 (up)” 혹은 “하강 (down)”한다. 물질의 스핀을 일직선으로 정렬시키면 자기가 발생한다. 대부분의 물질은 자성을 갖지 않는다. 상승 전자 스핀과 하강 전자 스핀의 수가 동일하여 서로를 상쇄시키기 때문이다. 그러나 철이나 코발트와 같은 물질은 전자 스핀의 수가 동일하지 않기 때문에 자성을 띤다.
가정용 자석은 철이나 코발트와 같은 강자성의 물질로 이루어져 있다. 그리고 이런 물질들의 스핀은 같은 방향으로 정렬하려는 속성을 갖고 있으며 그 결과 육안으로 볼 수 있고 느낄 수 있는 외부 자기장을 발생시킨다. 망간과 같은 자기 물질은 비강자성 (antiferromagnetic)으로 불리는데 그 이유는 이러한 물질의 원자 스핀이 서로 반대 방향으로 정렬하려는 속성을 갖고 있기 때문이다. 그래서 외부 자기장이 발생하지 않으나 스핀트로닉 성질을 보이는 것은 주목할 만한 결과이다.
이번 결과는 IBM의 나노 과학 연구 성과 중 가장 최근의 것이다. 1980년대 초 두명의 IBM 과학자가 STM (주사형 터널링 현미경) 개발로 1986년 스위스에서 노벨 물리학상을 수상했다. 그 후 지난 16년 동안 IBM 알마덴 연구 센터의 연구원들은 STM을 이용해 원자를 정확하게 디자인된 구조로 배열하는 데 선구자적인 업적을 세웠다. 이는 앞으로 정보 기술에 큰 기여를 하게 될 것으로 기대된다. 연구팀의 결과는 다음과 같다:
- 표면 위의 개별 원자 배열
- 단일 원자로 전기 스위치 개발
- “양자덫 (quantum corral)”으로 불리는 새로운 종류의 전자 트랩 개발
- 전자의 양자파 패턴이 정보 전달에 이용되는 "양자 신기루 (quantum mirage)" 효과 발견
- 개별 분자들의 “분자 캐스케이드 (molecule cascade)” 운동에 근거해 기능이 완벽한 계산 회로 제작, 이 회로는 현재 반도체 제조 기술로 만들어 질 수 있는 것보다 260,000배 작은 크기
- 스핀 반전 분광법 (spin-flip spectroscopy) 개발: STM을 사용해 단일 원자의 스핀 상태 검침 및 단일 스핀을 반전시키는 데 필요한 에너지 측정
웹사이트: http://www.ibm.com/kr
연락처
홍보실 이진수 이메일 보내기 02-3781-5499 011-898-5499
Fax: 02-3781-5192