원자 단위로 정보를 저장하는 세상에서 가장 작은 메모리 원천기술이 나왔다. 현재 실리콘 기반의 전자 소재와 달리 원자 하나로 1비트의 디지털신호를 구현한다면 USB 메모리카드 1개 크기의 칩에 영화 50만 편을 담을 수 있다는 게 전문가들의 견해다.

세계에서 가장 작은 메모리를 개발한 IBS 양자나노과학연구단 안드레아스 하인리히(오른쪽) 단장과 최태영 연구위원.

미래창조과학부 기초과학연구원(IBS)은 양자나노과학 연구단안드레아스 하인리히 단장(이화여대 물리학과 교수)이 홀뮴(Ho) 원자 1개로 1비트를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 현재 상용화된 메모리는 1비트 구현에 약 십만 개의 원자가 필요하다. 비트는 디지털신호의 최소 단위로 컴퓨터 기억장치는 모든 신호를 2진수 0과 1로 고쳐 기억한다. 원자번호 67번의 홀뮴은 희토류 원소로 자기 모멘트가 전체 원소 중 가장 크고 의료용 레이저나 분광기의 파장 보정용 등으로 쓰인다.

이번 성과는 하인리히 단장이 미국 IBM 재직 시절 주도했고, 이보다 작은 저장 단위는 이론적으로 불가능하다는 IBS의 설명이다. 연구는 IBM 알마덴 연구소의 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope·STM)으로 진행됐다. STM 조작으로 산화마그네슘(MgO) 기판 표면 위에 놓인 홀뮴 원자는 위와 아래 방향 둘 중 하나의 스핀을 가진다. 두 경우 전류 크기가 서로 달라 STM으로 전류를 측정해 원자의 스핀을 읽을 수 있다. 만약 STM 탐침으로 홀뮴 원자에 전압 펄스를 가하면 홀뮴 원자의 스핀이 반대로 바뀐다. 단일 원자의 ESR 측정은 연구진의 독점 기술로 최근 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 소개된 바 있다.

하인리히 단장은 "홀뮴 원자들이 근접해도 스핀에 영향을 거의 주지 않는 것으로 나타났는데, 그 이유를 규명하고 더 높은 온도에서 재현하는 것이 다음 목표"라며 "두 가지 스핀 상태가 공존하는 양자 제어가 가능하도록 추가적인 연구가 뒷받침되면 양자컴퓨팅을 위한 큐비트를 만들 수 있을 것으로 보인다"고 밝혔다. 큐비트는 0과 1의 이진법인 비트로 연산하는 것과 달리 0과 1 외에 중첩의 양자 상태도 신호로 쓰는 연산법이다. 이번 연구 결과는 유명 학술지 '네이처(Nature)' 9일 자 온라인판에 게재됐다.

오상준 기자