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영국 캠브리지 대학의 연구진은 MRI와 유사한 기술을 사용하여 단일 원자층 두께인 2차원 물질을 형성하기 위해 실시간으로 개별 원자의 움직임을 추적함. 기존 현미경으로는 너무 빠른 속도로 원자의 움직임을 포착했음.

그래핀과 같은 2차원 재료는 뛰어난 전도도 및 강도와 같은 고유한 특성으로 인해 기존 및 새로운 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있음. 2차원 재료는 바이오 감지 및 약물 전달에서 양자 정보 및 양자 컴퓨팅에 이르기까지 광범위한 잠재적 응용 분야를 가지고 있음. 그러나 2차원 재료가 잠재력을 최대한 발휘하려면 제어된 성장 과정을 통해 특성을 미세 조정해야 함.

이러한 물질은 일반적으로 원자가 성장하는 클러스터에 부착될 때 까지 지지 기판 위로 '점프'하는 형태로 형성됨. 이 프로세스를 모니터링 할 수 있는 것은 과학자들이 완성된 재료를 훨씬 더 잘 제어 할 수 있게 함. 그러나 대부분의 재료에서 이 프로세스는 매우 빠르고 고온에서 발생하므로 전체 프로세스가 아닌 단일 순간을 캡처하여 얼어붙은 표면의 스냅샷만 사용할 수 있음.

연구진은 업계에서 사용되는 온도와 비슷한 온도에서 실시간으로 전체 프로세스를 따랐음. 지난 15년 동안 캠브리지에서 개발된 '헬륨 스핀 에코'라는 기술을 사용함. 이 기술은 자기 공명 영상(MRI)과 유사하지만 헬륨 원자 빔을 사용하여 일상적인 현미경의 광원과 유사하게 표적 표면을 '조명'함.

샘플에서 광자를 비추는 광원을 생각하면 해당 광자가 눈으로 돌아올 때 샘플에서 어떤 일이 발생하는지 확인할 수 있음.

그러나 연구진은 광자 대신 헬륨 원자를 사용하여 샘플 표면에서 일어나는 일을 관찰함. 헬륨과 표면 원자의 상호 작용은 표면 종의 움직임을 추론할 수 있게 함.

연구진은 루테늄 금속 표면에서 움직이는 산소 원자의 테스트 샘플을 사용하여 산소 클러스터의 자발적인 파괴 및 형성, 크기가 몇 개의 원자, 클러스터 사이에서 빠르게 확산되는 원자를 기록함.

이 기술은 새로운 것은 아니지만 2차원 물질의 성장을 측정하기 위해 이런 방식으로 사용된 적이 없음. 분광학의 역사를 되돌아보면 빛 기반 프로브는 세상을 보는 방식에 혁명을 일으켰고 다음 단계인 전자 기반 프로브는 더 많은 것을 볼 수 있게 해주었음.

이제 연구진은 원자 기반 탐사선을 넘어서 더 많은 원자 규모 현상을 관찰할 수 있도록 한 단계 더 나아가고 있음.

본 연구 성과는 Physical Review Letters ("Ultrafast diffusion at the onset of growth: O=Ru(0001)")에 게재됨.