자기공명영상(MRI) 검사. (사진=자료사진)
기존 MRI(자기공명영상)보다 해상도를 100배 이상 높인 자기공명영상 기술이 개발됐다.
1일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM이 공동 연구한 이 기술은 몸을 이루는 원자의 스핀 자기장을 시각화했다.
병원에서 병을 진단할 때 주로 쓰이는 자기공명영상은 몸을 이루는 원자들의 스핀이 외부 자기장에 반응해 우리 눈에 보이지 않는 신체 내부를 시각화하는 원리다. 보통 수억 개 원자 스핀이 필요하다.
하지만 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 또렷이 보기 어렵다는 기술적 한계가 있었다.
독특한 분자 구조 신소재나 양자 소자 등의 물질을 연구하기 위해서는 개별 원자 스핀 시각화가 필요하다고 연구진은 설명했다. 눈으로 볼 수 있어야 나노 구조물을 원하는 대로 정확하게 만들 수 있기 때문이다.
세상에서 가장 작은 MRI 실험 모식도. (사진=기초과학연구원 제공)
연구진은 꾸준히 연구해 온 주사터널링현미경(STM·Scanning Tunneling Microscope)에서 해결책을 찾았다.
주사터널링현미경은 아주 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.
연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안한 것이다.
표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽는 데 성공한 연구진은 원자 한 개와의 자기적 공명 에너지를 볼 수 있게 됐다. 이는 기존 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로 원자 하나의 또렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 최초라고 연구진은 밝혔다.
연구진은 이번에 개발된 기술을 사용해 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다.
제 1저자인 필립 윌케 연구위원은 "이번 자기공명영상 기술로 고체 표면, 양자컴퓨터의 스핀 네트워크, 그리고 생체분자까지 여러 시스템의 스핀 구조를 연구할 수 있게 됐다"고 말했다.
안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학연구단 단장. (사진=기초과학연구원 제공)
교신 저자인 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 연구단장은 "병원에서 MRI로 사진을 먼저 찍어야 진단과 치료를 할 수 있듯이 물리적 시스템도 정확히 분석해야 변형과 응용이 가능하다"며 "이번 연구로 원자들의 성질을 스핀 구조라는 새로운 측면에서 확인했다"고 설명했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 피직스에 7월 2일 자정(한국시간) 온라인 게재됐다.