나노기술 및 정책 정보

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● 기초과학연구원 양자나노과학 안드레아스 하인리히 교수 연구팀은 주사터널링현미경(STM)을 이용하여 표면 위 분자의 전자스핀공명(ESR)을 측정

● 연구진은 2019년에 주사터널링현미경과 전자스핀공명을 결합해 원자 한 개의 자기장을 관찰하는 기술을 개발하였지만, 측정 민감도가 낮아 여러 스핀이 덩어리 채 관찰되어 단일 분자 내부나 단일 분자 간의 상호작용을 이해하는 데 한계

● 연구진은 주사터널링현미경에 주로 쓰이는 단일 철(Fe) 원자의 특성에 착안해 단일 원자 및 분자들의 전자스핀공명과 자기적인 상호작용을 안정적으로 측정하였고, 은(Ag) 기판의 산화마그네슘(MgO) 절연막 위에 철프탈로시아닌(FePc) 분자, 철(Fe) 원자, 티타늄(Ti) 원자를 증착한 후 전자스핀공명 현상을 이용해 분자와 원자들의 미세한 자기 상호작용을 관찰

● 이번 연구는 분자가 단일 원자 대비 확장성이 매우 크며 화학적인 응용 범위가 무한하기 때문에 전자스핀공명의 측정 대상을 기존 원자에서 분자로 확대했다는 데 의의가 크며, 기존에 분자의 전자스핀공명을 측정한 연구는 시각화가 어려워 어느 분자를 측정 중인지 알 수 없었지만, 본 기술은 분자를 눈으로 직접 보고 제어할 수 있어 나노구조물을 원하는 대로 만드는 데 응용이 가능

● 양자-결맞음 상태, 스핀의 양자 성질 등을 제어할 수 있어 양자 센싱 및 양자 정보 과학 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대

● 이번 측정 기술은 화학적 구조가 알려지지 않은 분자 내부에 스핀을 가지는 원자 혹은 분자를 붙여 그 구조를 파악할 수 있기에, 물질의 자성 연구, 의약학의 분자 구조 연구, 양자 센싱 연구 등에 널리 응용이 가능 

※ 용어설명

- 주사터널링현미경(scanning tunneling microscope, STM): 뾰족한 금속 탐침으로 표면을 읽어 원자를 관찰할 수 있는 기술로, 원자나 분자 구조의 모양을 눈으로 직접 보고 원자를 하나씩 통제하면서 실험할 수 있는 특수 현미경

- 전자스핀공명(Electron Spin Resonance, ESR): 원자핵의 스핀과 전자스핀 사이 서로 밀어내거나 끌어당기는 상호작용으로 원자의 자기적 특성에 영향

- 스핀(spin): 전자가 갖는 양자역학적인 고유 각운동량 성분, 자석의 원인

- 양자-결맞음 상태: 큐비트는 양자-결맞음이라는 특이한 상태일 때 제기능을 하며, 스핀이나 양자의 서일이 서로 가지런히 정렬되는 상태

※ Nature Chemistry 게재(2021.11.12.), “Electron Spin Resonance of Single Molecules and Magnetic Interaction through Ligands”