과학자들은 원자핵이 실시간으로 뒤집히는 것을 관찰합니다.

실제 측정 데이터를 기반으로 한, 원자의 핵 스핀이 서로 다른 양자 상태 사이를 전환하는 모습을 표현한 예술가의 인상. 이 전환은 원자를 통과하는 전류가 초 단위로 변동하는 형태로 관찰되었다. 출처: Scixel

네덜란드 델프트 공과대학교 연구진은 원자의 자기 핵이 실시간으로 앞뒤로 움직이는 것을 관찰했습니다. 주사터널링현미경(STM)의 바늘을 통해 같은 원자 내 전자의 핵 '스핀'을 읽어냈습니다. 놀랍게도 스핀은 몇 초 동안 안정적으로 유지되어 자기 핵 제어를 향상시킬 수 있는 가능성을 제시했습니다. Nature Communications 에 게재된 이 연구는 원자 수준에서 양자 감지를 위한 한 걸음 더 나아간 연구입니다.

주사터널링현미경(STM)은 원자 단위의 날카로운 바늘로 구성되어 표면 위의 개별 원자를 '감지'하고 원자 수준의 분해능으로 이미지를 생성합니다. 정확히 말하면, STM은 원자핵을 둘러싼 전자 만 감지할 수 있습니다. 원자의 전자와 핵은 모두 잠재적으로 작은 자석입니다. 원자의 종류에 따라 각각 '스핀'이라는 양을 지닙니다. 스핀은 양자역학적으로 자성과 동일합니다. STM을 사용하여 개별 전자 의 스핀 운동을 측정하는 것은 10년 전에 처음으로 이루어졌습니다. 샌더 오테 교수가 이끄는 델프트 공과대학교 연구팀은 STM을 사용하여 원자의 다른 부분인 핵 스핀을 시간에 따라 판독할 수 있는지 알고 싶었습니다.

핵 스핀 읽기

STM은 핵 스핀에 직접적으로 민감하지 않기 때문에 연구팀은 전자를 이용하여 핵 스핀을 간접적으로 읽어내야 했습니다. 오테는 "이러한 아이디어는 몇 년 전에 전자와 핵 스핀 사이의 소위 초미세 상호작용을 이용하여 시연되었습니다."라고 설명했습니다. 그러나 이러한 초기 측정은 시간이 지남에 따라 핵 스핀의 움직임을 포착하기에는 너무 느렸습니다.

빠른 측정

제1저자인 에버트 스톨테와 이진원은 핵 스핀을 지닌 것으로 알려진 원자에 대한 신속한 측정을 수행했습니다. 흥미롭게도, 그들은 컴퓨터 화면에서 실시간으로 두 개의 서로 다른 레벨 사이에서 신호가 전환되는 것을 관찰했습니다. 스톨테는 "이 전환이 핵 스핀이 한 양자 상태에서 다른 양자 상태로, 그리고 다시 원래 상태로 전환되는 것과 일치한다는 것을 보여줄 수 있었습니다."라고 말했습니다. 그들은 스핀이 전환되는 데 약 5초가 걸린다는 것을 확인했는데, 이는 STM에 사용 가능한 다른 많은 양자 시스템보다 훨씬 긴 시간입니다. 예를 들어, 같은 원자에서 전자 스핀의 수명은 약 100나노초에 불과합니다.

단발 판독

연구진은 핵 스핀 상태를 반전보다 빠르게 측정할 수 있었고, (대부분) 측정 자체에 의한 반전 없이 측정할 수 있었기 때문에 소위 '단일 샷 판독'을 달성했습니다. 이는 핵 스핀 제어에 대한 흥미로운 실험적 가능성을 열어줍니다. 더 나아가, 표면 핵 스핀 판독 및 제어의 근본적인 발전은 장기적으로 원자 수준에서의 양자 시뮬레이션이나 양자 감지와 같은 응용 분야에 도움이 될 수 있습니다. 스톨테는 "새로운 실험의 첫걸음은 측정하는 것이며, 바로 이것이 원자 수준에서의 핵 스핀 측정에 있어 우리가 해낸 일입니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250904014149.htm