기록적인 해상도로 원자를 보는 이미징 기술

(This image shows an electron ptychographic reconstruction of a praseodymium orthoscandate (PrScO3) crystal, zoomed in 100 million times. Credit: Cornell University)

코넬 대학의 데이빗 뮬러 교수 (David Muller, the Samuel B. Eckert Professor of Engineering)와 포닥 연구자인 젠 첸(postdoctoral researcher Zhen Chen)이 기존의 해상도 한계를 뛰어넘는 원자 이미징 기술을 개발했습니다.

Electron ptychography라고 명명된 이 기술은 기존의 주사 전자 현미경 기술로는 불가능한 시료의 표면에서 개별 원자의 배열과 위치를 확인할 수 있습니다. 비결은 electron microscope pixel array detector (EMPAD)와 이를 3차원적으로 재구성하는 알고리즘입니다.

2018년에도 코넬 연구팀은 개별 원자의 위치와 배열을 확인할 수 있는 첨단 고해상도 전자 현미경 기술을 선보였습니다. 하지만 이 기술은 원자 몇 개에 불과한 얇은 박편에서만 사용이 가능하다는 제한점이 있었습니다. 이 이상 두께에선 전자빔이 산란되면서 이미지가 흐릿해진 것입니다.

연구팀은 산란 효과를 감소시키는 대산 역발상으로 오히려 포커스를 맞춰 약간 산란을 시키면서 다양한 파장에서 이미지를 확보했습니다. 그리고 이를 정교한 3D 재구성 알고리즘에 넣어 본래 이미지를 확보했습니다. 덕분에 절대 영도에서도 남는 원자의 흔들림도 극복하고 이미지를 얻을 수 있었습니다.

연구팀은 앞으로 이 이미징 기술이 최첨단 과학기술 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 예를 들어 반도체 표면이나 세포벽 같은 생체 물질의 표면처럼 원자 몇 개 층으로 나누기 힘든 구조물도 이제는 이 기술로 3차원적으로 표면을 볼 수 있습니다. 해당 연구 분야에서 상당한 도움이 될 수 있는 방법인 셈입니다.

사실 이런 이미징 관련 기술은 우리 일상과는 직접 관련이 없기 때문에 먼 나라 이야기처럼 들립니다. 하지만 이를 이용해서 얻은 혁신은 우리 삶을 변화시킬 수 있습니다. 첨단 소재, 촉매, 반도체, 생명공학 기술이 이를 통해서 발전하기 때문입니다. 이번 연구도 역시 알게 모르게 우리의 삶에 기여할 것으로 기대합니다.

참고

https://phys.org/news/2021-05-atoms-resolution.html

Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations. Science, 21 May 2021: DOI: 10.1126/science.abg2533

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