델프트공대, 단일 원자 핵스핀을 전파로 직접 제어…양자정보 저장 새 가능성 제시

핵스핀이란 무엇이며 왜 다루기 어려운가

원자 속 자기적 성질은 여러 층위로 나뉜다. 전자스핀이 가장 강한 자기 신호를 내지만, 일부 원자의 원자핵도 독자적인 스핀을 갖는다. 핵스핀은 전자스핀에 비해 훨씬 약하고, 그만큼 외부 환경으로부터 잘 차폐된다. 이 차폐 특성은 양자정보를 오래 보존하는 데 유리하지만, 동시에 외부에서 직접 조작하기 극히 어렵다는 의미이기도 하다. 지금까지 물리학계는 스캐닝 터널링 현미경(STM)에서 발생하는 전기 신호로는 핵스핀을 직접 건드릴 수 없다고 이해해 왔다.

이중 자기공명 기법의 단일 원자 적용

연구팀은 '이중 자기공명(double magnetic resonance)'이라는 기존 측정 기법을 단일 원자 수준에서 활용할 수 있도록 정밀하게 다듬었다. 이 접근은 전자스핀과 핵스핀 각각을 독립적으로 겨냥하는 두 개의 서로 다른 주파수 신호를 동시에 원자에 가하는 방식이다. 핵스핀의 공명 주파수는 전자스핀보다 100~1,000배 낮다는 점이 이 기법의 핵심 조건이 된다. 개조된 STM을 통해 단일 원자에 전기 신호를 나노미터 정밀도로 인가하는 환경이 이를 가능하게 했다.

예상을 뒤엎은 실험 결과

실험에서 가장 주목할 부분은, 전자스핀과 핵스핀 사이의 초미세 상호작용(hyperfine interaction)이 거의 없는 — 즉 두 스핀이 대부분 얽힘 해제된 — 조건에서도 핵스핀 반전이 일어났다는 점이다. 초미세 상호작용은 전자-핵 간 스핀 얽힘을 유발하는 경로로, 이를 통해 간접적으로만 핵스핀을 다룰 수 있다고 알려져 있었다. 연구팀은 이 경로 없이도 핵스핀이 반응했다는 사실이 기존 이론 틀로는 설명되지 않는다고 명시했다. 이 메커니즘이 어디서 비롯되는지는 현재 미해명 과제로 남아 있다.

양자정보 저장 응용 가능성과 남은 과제

핵스핀은 외부 잡음에 강하게 차폐돼 있어 양자정보의 장기 저장 매체 후보로 꾸준히 거론돼 왔다. 이번 연구가 직접 제어의 가능성을 열었다는 점에서, 향후 큐비트 저장·판독 방식에 새로운 경로를 제공할 수 있다. 다만 연구팀은 제어 메커니즘 자체가 이론적으로 규명되지 않은 상태라는 점을 분명히 했다. 실용화까지는 구동 원리의 이해, 재현성 검증, 잡음 환경에서의 동작 확인 등 여러 단계가 남아 있다. 이번 발견은 응용의 시작이라기보다 새로운 기초 물리 연구의 출발점에 가깝다.