전자빔을 이용한 원자 조작

[요약]미국 메사추세츠공과대(MIT)를 비롯한 공동 연구팀은 전자빔으로 개별 원자를 조작할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 양자 센서나 양자 컴퓨터를 구축하는데 유용하게 활용될 것으로 기대를 모은다.(2019.05)

공학에서 말하는 최고의 제어는 가장 기본적인 수준에서 물질을 만들고 조작할 수 있는 능력을 뜻한다. 다시 말해 물질의 기본 구성단위인 원자 단위로 제어할 수 있어야 한다는 것이다. 

미국 MIT, 오스트리아 비엔나대 등이 참여한 공동 연구팀은 고도로 집속된 전자빔을 이용해 원자의 위치를 조정하고, 정확한 위치와 본딩(결합) 방향을 제어할 수 있는 방법을 개발했다. 연구팀은 이 발견이 궁극적으로 양자 컴퓨팅 장치 또는 양자 센서를 만드는 기술로 이어질 수 있으며 미래의 ‘원자 공학’을 이끌 수 있다고 말했다. 

이 연구는 비엔나대 토마스 수시 교수와 대학원생 콩 수, 원자력과학 및 공학부 주 리 교수의 논문으로 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표됐다. 

연구에 참여한 리씨는 “우리는 나노 기술 도구를 많이 사용하고 있다”면서 “하지만 이런 도구는 아직까지 규모가 작은 프로세스를 제어하는데 머물러 있다”고 말했다. 공동연구팀의 목표는 현재까지의 한계를 벗어나 하나에서 수백개 원자의 위치, 대전 상태, 전자 및 핵의 스핀 상태까지 제어하는 것이다. 

이전 연구에서 과학자들은 개개 원자의 위치를 조작하고 표면에 원자로 원을 만드는데 성공했다. 하지만 이 과정은 주사터널링 현미경의 바늘 모양 끝 부분을 이용해 개별 원자를 집어내고, 원하는 위치에 떨어뜨리는 방식으로 많은 시간이 필요했다. 반면 새로운 공정은 STEM(scanning electron microscope)로 전자빔을 사용해 원자를 조작한다. 전자 렌즈를 이용해 전자 제어가 가능한데다 기계적으로 움직이는 부품이 필요하지 않은 과정이다. 결국 작업 시간이 훨씬 빠르기 때문에 현실에서 사용될 가능성이 높다. 

리씨는 “전자 제어 장치와 인공지능(AI)을 이용한다면 원자를 마이크로초 단위로 조작할 수 있다”면서 “이는 기계를 사용해 조작하는 것보다 훨씬 빠르고, 많은 전자빔을 동일한 재료에 동시에 작용시킬 수 있게 할 것”이라고 말했다. 

컴퓨터칩은 일반적으로 특정한 전기적 특성을 부여하기 위해 다른 원자로 실리콘 결정을 ‘도핑’한다. 이 과정에서 물질 영역에 결합이 생기곤 한다. 새로 개발된 기술을 컴퓨터칩 제작에 활용한다면 정확한 위치를 찾아 결함 없는 도핑도 가능해진다. 

아주 좁게 집속된 전자빔은 원자만큼 넓다. 전자빔의 정확한 각도를 선택해 원자를 두드리면 원자를 제어할 수 있다. 수시 교수는 “마치 원자로 축구를 하는 것처럼 원자를 두드려 그래핀과 같은 필드를 가로질러 원자를 의도된 목표위치에 떨어지게 할 수 있다”고 말했다. 

연구팀은 실험에서 벌집 패턴으로 배열된 탄소 원자의 2차원 시트인 그래핀과 인(P) 원자를 사용해 기술의 효용성을 입증했다. 연구팀의 궁극적인 목표는 복잡한 방식으로 여러 원자를 이동하는 것이다. 이것이 가능해지면 각 원자가 정확하게 어디에 위치하는지 알 수 있는 피라미드 같은 복합체를 만들 수 있다는 것이다. 

전자적으로 다른 원자가 그래핀에서 조작된 것은 이번이 처음이다. 캘리포니아 버클리대(UC버클리)의 물리학과 교수이자 연구에 참여하지 않은 알렉스 제틀은 “이번 연구는 중요한 진보”라며 “각종 장치가 나노미터 크기 규모로 작아지면서 단일 불순물 원자 또는 결함이 어디에 위치하는지, 원자 주변 상태는 어떤지를 정확히 아는 것이 점차 중요해지고 있다”고 말했다.