델프트공과대학교 연구진, 단일 원자 핵스핀 라디오파 직접 제어 성공…기존 이론 뒤집어

연구 배경: 원자 안의 두 자기 나침반

철이나 니켈 같은 금속에서 각 원자는 미세한 자성을 띤다. 원자 내부에는 전자 스핀과 핵스핀이라는 두 종류의 자기적 자유도가 존재하는데, 압도적으로 강한 쪽은 전자 스핀이다. 핵스핀은 신호 세기가 훨씬 약하지만, 그만큼 외부 환경으로부터 잘 차단되어 있다. 이 차폐 특성 덕분에 핵스핀은 양자정보를 오래 유지하는 저장 매체 후보로 꾸준히 거론돼 왔다.

델프트공과대학교 Sander Otte 그룹은 오랫동안 개조된 주사 터널링 현미경(STM)으로 단일 원자의 스핀을 연구해 왔다. 기존 연구는 주로 전자 스핀에 집중됐고, 핵스핀은 초미세 상호작용(hyperfine interaction)을 통해 전자 스핀과 간접적으로 얽히는 방식으로만 간접 관측됐다.

실험 방법: 단일 원자 수준의 이중 자기공명

이번 실험의 핵심은 기존에 앙상블 수준에서 쓰이던 이중 자기공명(ENDOR) 기법을 단일 원자에 적용한 것이다. 주저자 Hester Vennema 연구팀은 하나의 원자에 전자 스핀과 핵스핀을 각각 겨냥한 두 가지 신호를 동시에 인가했다. 이를 통해 각 신호가 두 스핀에 미치는 영향을 독립적으로 분리·분석할 수 있었다.

자기공명의 원리상, 스핀 방향을 바꾸려면 신호 주파수가 해당 스핀의 고유 공명 주파수와 정확히 일치해야 한다. 핵스핀의 공명 주파수는 전자 스핀에 비해 100~1,000배 낮아, 필요한 라디오파 대역이 전혀 다르다.

예상 밖의 발견: 이론이 허용하지 않은 결과

연구팀은 전자 스핀과 핵스핀이 상당 부분 얽힘 해소(disentangled) 상태에 있을 때도 핵스핀을 반전시킬 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 STM의 전기 신호가 핵스핀에 직접 영향을 미친다는 뜻으로, 기존 이론 틀에서는 발생해서는 안 되는 현상이다. 연구책임자 Otte는 자신들의 단순화된 이론 이해 범위를 벗어난 결과라고 인정하며, 구동 메커니즘을 밝히는 것이 후속 과제임을 명시했다.

의미와 한계

이번 발견은 양자정보 저장 측면에서 잠재적 의미가 크다. 핵스핀은 외부 노이즈에 강인하므로, 이를 직접 제어할 수 있다면 더욱 안정적인 양자 메모리 소자 구현에 기여할 수 있다. 그러나 연구팀 스스로 밝히듯, 현재 단계에서는 물리 메커니즘이 해명되지 않았다. 어떤 경로로 전기 신호가 핵스핀을 뒤집는지, 그 효율과 충실도가 실용 수준에 도달할 수 있는지는 미지수다. 새로운 이론 모델 수립과 추가 실험이 선행돼야 기술적 활용 가능성을 논할 수 있다.