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2013년 11월 18일 월요일

한개의 원자에 정보를 기록하기




 점차 정보량이 폭증하면서 이를 기록할 공간은 반대로 점점 작아지고 있습니다. 비트 (bit) 단위의 정보량을 기록하는 공간은 미세 공정의 진보에 따라 이제 수십 nm 이하까지 작아졌습니다. 하지만 아마도 한도 끝도 없이 작아질 수는 없겠죠. 점차 미세화가 진행함에 따라 원자 하나 크기 수준까지 도달하면 미세화는 한번 한계에 봉착할 수 밖에 없습니다.  


 이를 극복하기 위해 전세계 많은 연구자들은 분자는 물론 심지어 원자 하나에 정보를 기록하기 위해 노력하고 있습니다. 독일 칼스루헤 연구소 (Karlsruhe Institute of Technology (KIT)) 의 볼프 볼프헤켈 (Wulf Wulfhekel) 과 그의 동료들은 원자 한개에 1 bit 의 정보 (Single - atom bit) 를 저장하고 이를 안정화 시키는데 성공했다고 합니다.  


 사실 이전에도 여러 과학자들이 원자 하나에 정보를 기록하는 데 성공했습니다. 그러나 자기화된 원자 (magnetic atom) 한개 한개를 비자기화된 물체의 표면에 고정하는 데는 성공한 과학자들은 동시에 이 원자들이 매우 불안정하다는 사실을 발견했습니다. 정보를 기록한 원자가 전자나 그 양자 역학적인 특성으로 인해 상태가 수시로 바뀐다면 사실상 정보가 지워지는 셈이기 때문에 정보를 장기간 보존하는 일은 불가능 했습니다.


 이번 연구팀이 성공한 부분은 이 안정화로 희토류 원소인 홀뮴 (Holmium) 원자를 백금 위에 특수하게 배열한 후 수분에서 최대 10 분까지 그 자기적 특징을 유지하도록 안정화시켰습니다. 기존의 연구에서 최대 수 밀리세컨드 (ms) 에 불과했던 부분을 크게 개선 시킨 부분입니다. 장기간 데이터를 저장하는 용도로 10분은 매우 짧지만 빈번에게 데이터를 쓰고 지우는 메모리에 활용될 수 있는 수준까지는 진보한 것입니다. 기존의 원자 비트 기록은 너무 지속시간이 짧아서 이를 바탕으로 프로세싱 작업을 구현하기가 불가능했으나 이제는 시도할 만 하다는 것이죠. 물론 10 분이 충분하다는 이야기라기 보단 이전보다 크게 시간을 늘렸다는 의미일 것입니다. 



(백금 (Pt) 위에 놓인 홀뮴 (Ho) 원자들의 3 차원 이미지를 STM 으로 구현한 것 Three-dimensional topographic STM image of single Ho atoms adsorbed on Pt(111) at 4.4 K. Credit: Nature 503, 242–246 (14 November 2013) doi:10.1038/nature12759  )       


 실제로 이들이 원자의 상태를 안정화 시킨 메카니즘 부분은 매우 이해하기 힘든 난해한 부분이지만 아무튼 홀뮴 원자 내의 전자의 양자 역학적 요동을 안정시켜 1 bit 의 데이터를 한 개의 원자에 보다 장기적으로 기록할 수 있게 되었다고 합니다. 물론 이 작업은 절대 영도의 가까운1 K 에서 이뤄졌으며 각각의 원자의 자성 기록은 STM (scanning tunneling microscope) 을 통해 이뤄졌다고 합니다. 따라서 당장에 실용화와는 다소 거리가 먼 내용입니다. 


 하지만 연구팀은 이 연구가 미래의 양자 컴퓨팅과 원자 단위 데이터 기록에 도움을 줄 것으로 기대하고 있다고 하네요. 과연 원자 컴퓨팅이나 혹은 전자의 스핀을 이용한 스핀트랜지스터를 사용한 제품이 진짜 우리 주변에 등장하게 되는 것이 언제일지 궁금해 집니다. 


 참고 


  Journal Reference:
  1. Toshio Miyamachi, Tobias Schuh, Tobias Märkl, Christopher Bresch, Timofey Balashov, Alexander Stöhr, Christian Karlewski, Stephan André, Michael Marthaler, Martin Hoffmann, Matthias Geilhufe, Sergey Ostanin, Wolfram Hergert, Ingrid Mertig, Gerd Schön, Arthur Ernst, Wulf Wulfhekel. Stabilizing the magnetic moment of single holmium atoms by symmetryNature, 2013; 503 (7475): 242 DOI: 10.1038/nature12759
  





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