원자의 핵스핀(자성의 기본단위)이 내는 에너지는 매우 약해서 지금까지 수백만 개 원자핵들의 신호를 한꺼번에 읽어서 특성을 유추할 수 밖에 없었다. 핵스핀은 유력 초소형 메모리 후보지만 아직까지 정확한 특성이 밝혀지지 않았다.

연구진은 주사터널링현미경(STM)과 전자스핀공명(ESR) 기술을 결합해 에너지분해능(정밀도)을 1만배 높였다. 자기공명 영상(MRI)으로 신체 내부를 진단하듯 고체표면 위 원자 한개의 핵스핀을 측정할 수 있었다.

연구팀은 핵스핀과 전자스핀 사이 초미세 상호작용을 토대로 철(Fe)과 티타늄(Ti)의 동위원소 중 핵스핀을 갖는 동위 원소를 구분하는데 성공했다.

또 연구진은 -271.95℃의 극저온, 초고진공 상태에서 실험한 결과, 원자의 위치에 따라 초미세 상호작용이 변한다는 것을 명확히 밝혔다.

이번 연구로 그동안 통계적으로 유추해 온 고체기반 물질의 전자기적 특성을 단일 원자 단위에서 확인, 양자역학적 지식을 검증할 수 있는 기술적 토대가 마련됐다.

이는 향후 개별 원자가 저장장치이자 회로가 되는 차세대 전자소자 설계 핵심원리로 사용될 수 있다. 양자정보를 저장하고 연산하는 양자컴퓨팅용 소재를 선별하는 기술로도 응용될 전망이다.

안드레아스 하인리히 연구단장은 "이번 연구는 다수의 원자 특성을 기반으로 쓰인 기존 물리학적 지식을 검증할 수 있는 기술적 토대가 마련됐다는데 의미가 있다"면서 "현존하는 물리 이론을 뛰어넘는 새로운 소재를 발굴하는 연구 돌파구를 제시한 셈"이라고 설명했다.

한편 이번 연구 성과는 사이언스(Science, IF 41.058)誌 온라인 판에 19일 3시(한국시간)에 게재됐다.