50만편 규모… 가장 작은 메모리

‘1비트 = 1원자’… 집적도 10만배

원자 하나에 1비트 정보 하나를 저장할 수 있는 세상에서 가장 작은 메모리 기술이 나왔다. 미국 IBM 알마덴연구센터, 스위스 로잔연방공대, 중국 과학원대, 독일 괴팅겐대, 스위스 취리히대, 한국 기초과학연구원(IBS), 이화여대 국제공동연구진은 홀뮴(Ho) 원자 1개에 1비트 정보를 담은 뒤 이를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다고 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 9일자를 통해 발표했다.

이번 연구에는 지난 1월 IBS에 새로 만들어진 양자나노과학연구단 단장인 안드레아스 하인리히 이화여대 물리학과 석좌교수도 참여했다. 하인리히 교수가 지난해 이화여대로 자리를 옮기기 전 IBM 알마덴연구센터 재직 당시 주도했던 연구로 알려졌다.

현재 상용화된 실리콘 소재의 메모리는 1비트의 정보를 기록하는 데 약 10만개의 원자가 필요하다. 이번에 개발된 메모리 기술은 ‘1비트=1원자’이기 때문에 현재 기술보다 10만배 정도 집적도를 높였다고 볼 수 있다.

최태영(이화여대 물리학과 교수) IBS 연구위원은 “영화의 역사가 시작된 이후 지금까지 상영된 영화가 대략 50만편 정도로 알려져 있는데 이번 기술을 활용하면 동전만 한 크기의 USB메모리 1개에 인류가 만든 지금까지의 모든 영화를 저장할 수 있다”고 설명했다.

이번 연구에 쓰인 원자번호 67번 홀뮴은 1879년 처음 발견됐으며 스웨덴 스톡홀름의 이름을 딴 희토류 원소다. 홀뮴은 천연 원소 중 자기모멘트가 가장 큰 원소로 아주 강한 세기의 자석을 만들거나 의료용 레이저 재료, 분광기 파장 보정 기준 물질 등으로 활용되고 있다.

연구팀은 홀뮴 원자가 갖는 업·다운 2가지 스핀 방향을 디지털 정보인 0과 1로 표시할 수 있다는 데 착안했다. 연구팀은 산화마그네슘(MgO) 기판 위에 홀뮴 원자를 올려놓고 ‘절대 0도’(영하 273.16도)에 가까운 영하 270도 이하의 환경에서 주사터널링현미경(STM) 탐침으로 고전압을 가하면 스핀 방향을 바꿀 수 있다는 것을 알아냈다. 전압을 가해 스핀 방향을 바꿔 정보를 저장한다는 것이다. 또 홀뮴 원자 근처에 철 원자를 두면 철 원자가 홀뮴의 스핀을 읽어내는 ‘리더기’ 역할을 할 수 있다는 것도 알아냈다. 홀뮴의 스핀 상태가 만드는 자기장이 철 원자의 스핀을 똑같은 상태로 바꾼다는 것이다. 컴퓨터의 USB메모리나 CD리더기가 저장돼 있는 디지털 신호를 읽어내는 것과 같은 원리다.

하인리히 IBS 단장은 “상용화를 위해서는 동작 온도를 상온까지 높여야 하며 정보를 기록하고 읽어내는 속도를 높일 수 있는 기술을 확보해야 한다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr