원자 1개의 MRI '독사진' 찍었다

IBS·美IBM 공동 연구…기존 MRI 100배 해상도 실현
개별 원자 확인 가능…단백질·양자시스템 비밀 풀 단초 마련

세상에서 가장 작은 MRI 원자 관측 결과(제공=기초과학연구원)

[아시아경제 이민우 기자] 원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상(MRI) 기술이 세계 최초로 개발됐다. 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 상태를 살펴볼 수 있을 전망이다.

기초과학연구원(IBS)는 IBS 내 양자나노과학 연구단의 안드레아스 하인리히 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구를 통해 이 같은 결과를 얻었다고 2일 밝혔다. 원자의 스핀(양자역학에서 입자가 가지는 내재된 각운동량. 전하나 질량처럼 입자의 기본 성질로 간주된다.) 자기장을 시각화하는 세상에서 가장 세밀한 MRI인 셈이다.

이번 연구는 기존 분자 수준 MRI보다 100배 이상 높은 해상도를 가능케 했다. MRI는 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해 신체 내부를 시각화하는 식이다. 현재 분자 수준까지 측정할 수 있는 MRI 연구 자기공명힘 현미경(MRFM)이 있지만 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 또렷하게 보기는 어려웠다. 독특한 분자 구조를 가진 신소재나 양자소자 등 미시적 자성 현상을 나타내는 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀 시각화가 반드시 필요하다. 눈으로 볼 수 있어야 나노 구조물을 원하는 대로 정확하게 만들 수 있기 때문이다.

세상에서 가장 작은 MRI 실험모식도(제공=기초과학연구원)

이번 연구를 통해 개별 원자의 스핀을 확인할 수 있게 됐다. 연구진은 주사터널링현미경(STM)에서 해결책을 찾았다. STM은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해, 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다. 연구진은 STM 탐침 끝에 원자 여러개를 묶은 스핀 클러스터를 부착했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안한 것이다. 연구진은 스핀 클러스터가 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠어, 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생시킬 것으로 예측했다. 또한 초고진공, 극저온 조건을 적용해 탐침이 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있도록 했다. 그 뒤 시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위해 실험을 이어갔다.

그 결과 연구진은 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는 데 성공했다. 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 된 것이다. 이는 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로, 원자 하나의 또렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스에 2일 오전 0시(한국시간) 온라인 게재됐다.

연구진을 이번 연구를 토대로 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다. 연구 논문의 제 1저자인 필립 윌케 IBS 연구위원은 "최근 자성 저장 장치를 포함해 나노 수준에서 다양한 자성 현상이 관찰되고 있다"며 "이번 연구를 통해 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 그리고 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다"고 설명했다.

교신 저자인 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장은 "병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯, 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다"며 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"고 강조했다.

왼쪽부터 기초과학연구원의 필립 윌케 양자나노과학연구단 연구위원(제1저자), 안드레아스 하인리히 양자나노과학연구단장(교신저자), 배유정 양자나노과학연구단 연구위원(공동저자)

이민우 기자 letzwin@asiae.co.kr