극저온 원자현미경 개발, 76밀리켈빈에서 무엇을 밝혀냈나

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단은 2024년 당시 세계에서 가장 낮은 온도의 주사터널링현미경(STM)을 시연했다.

STM은 약 100억분의 1미터 수준의 원자를 영상화하고 전자 상태를 분석하며, 원자를 직접 옮길 수도 있는 장비다.

연구단은 이를 극저온으로 구현해 상온에서 드러나지 않는 양자 현상을 탐색할 기반을 마련했다.

연구단은 2014년 개발에 착수해 76밀리켈빈의 측정 환경을 구현했다.

온도가 높으면 열에너지 때문에 원자가 진동해 정밀한 측정이 어려워진다.

극저온에서는 원자의 움직임을 줄이고 초전도 같은 양자 현상을 살필 수 있다. 다만 냉각만으로는 충분하지 않다.

진동과 전기적 잡음을 억제하면서 원자 단위의 측정 정밀도를 유지해야 해, 연구진은 장비를 직접 손으로 제작했다.

IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단장 염한웅은 과학자 3명이 참여했고 연구비 45억 원이 투입됐다고 밝혔다.

코로나19 확산으로 해외 장비의 수입과 수리가 어려웠던 약 3년을 제외하면 실제 개발 기간은 약 7년이다.

장비는 2024년 처음 시연됐으며, 당시 연구단은 세계에서 가장 낮은 온도의 STM을 구현했다고 설명했다.

성과는 장비 자체에 그치지 않았다.

연구팀은 이를 이용해 초전도체에서 전자 두 개의 스핀이 같은 방향인 ‘스핀 트리플렛 페어링’이 외부 압력 없이 자발적으로 형성된다는 직접 증거를 얻었다.

이 방식은 이론적으로 예측됐지만 50여 년 동안 실험으로 명확히 입증하기 어려웠다.

일부 우라늄 화합물에서 압력을 가했을 때 간접 증거가 보고된 것과 달리, 이번 연구는 압력 없이 직접 증거를 제시했다.

기존 초전도체에서 주로 관찰된 것은 두 전자의 스핀이 반대인 싱글렛 페어링이었다.

염 단장은 국내 연구자들이 저온 측정 장비를 쓰기 위해 미국으로 가는 경우가 많았다고 설명했다.

자체 장비를 갖추면 실험 일정과 조건을 국내 연구진이 주도할 수 있고, 해외 연구팀과의 공동연구에서 국내 장비를 활용할 수도 있다.