원자 사슬을 당길 수 있는 기구

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-04-28

원자규모에서의 줄다리기가 최근 미국 국립표준기술원(National Institute of Standards and Technology) NIST에서 실시된 실험에서 시연되었다. 원자들의 사슬을 잡아당기기 위해 극도로 정밀한 기구가 제작되었다. 이 기구는 원자탐침의 위치를 5피코미터 이내로 움직이고 유지할 수 있다. 이번 기초실험에서는 주사터널링현미경(scanning tunneling microscope)에 영감을 받아 NIST에서 설계한 기구를 이용하였다. 이 기구는 날카로운 첨단부 모양으로 인출된 미세한 순금 도선을 탐침으로 이용한다. 이 탐침을 평탄한 금 표면에 접촉시키면 첨단부와 표면원자들 사이에 결합이 형성되며, 탐침을 점진적으로 당김에 따라 단일원자 사슬이 형성되고 끊어진다. 다른 모든 것들은 안정적으로 유지한 채, 마지막 두 원자가 언제 분리되려고 하는지를 알려줄 수 있을 정도로 이처럼 절묘하게 위치를 제어하면서 탐침을 움직이는 것은 대단한 기술이다. 강도를 측정하기 위해 사슬을 끊기 직전 순간에는 단일원자 사슬의 강도와 전기 전도도를 측정할 수 있다. 탐침 바로 뒤에 설치된 광섬유 시스템은 탐침에 접촉된 금 표면을 빛의 파장보다 훨씬 더 작은 운동변화를 검출할 수 있는 고전적인 광학간섭계에 있는 한쪽 거울처럼 사용한다. 간섭계에서 나온 신호는 표면과 탐침 사이의 간격을 제어하는데 이용된다. 동시에, 표면과 탐침 사이를 흐르는 아주 작은 전류를 측정함으로써, 접촉부의 접합이 언제 마지막 두 원자들만 남도록 좁아지는지가 결정된다. 관련된 원자들의 수가 매우 적기 때문에, 탐침과 표면 사이의 접합부가 좁아짐에 따라 생기는 전도도의 뚜렷한 도약이 단일원자 감도로 측정될 수 있다. 이번 새 기구는 원자규모에서의 정밀한 힘 감지기를 제작하기 위해 NIST에서 병행된 연구와 결합될 수 있다. 그 감지기는 미세한 다이빙보드처럼 생긴 외팔보로서 NIST의 정전 힘 평형기(electrostatic force balance)로 그 강도를 측정할 수 있다. 이러한 조합을 이용한다면, 2개의 금 원자들 사이의 힘을 국가측정표준 수준으로 직접 측정할 수 있을 것이라고 물리학자 더글라스 스미스(Douglas Smith)는 말한다. 또한 임의의 두 금 원자들은 본질적으로 동일하기 때문에, 다른 연구자들에게는 그들의 장비를 교정할 직접적인 방법을 제공할 것이다. “우리는 이런 종류의 측정을 수행하는 사람들이 우리가 겪은 모든 문제들을 겪을 필요 없이 그들의 장비를 교정하는 기준으로서 이 기구를 이용할 수 있기를 바란다. 측정한 값이 본질적인 값이기 때문에 수행하고 있는 실험을 자체적으로 교정한다면 어떨까? 상당히 쉽게 전기적 측정을 할 수 있으며 전도도를 관찰함으로써 언제 이러한 단일원자 사슬이 되는지를 알 수 있다. 그러면 그러한 힘이 얼마나 되어야 하는지에 대한 역학적 측정을 할 수 있으며 그에 따라서 자신의 기구를 재교정할 수 있다.”라고 스미스는 말했다. 나노 역학 분야에 대한 응용 외에도, 피코미터 규모의 장기적 안정성을 가진 이 시스템의 1차원 시스템에서의 전자 운동과 단일분자 분광법을 연구하는 데에도 유망하다고 NIST 연구팀은 말했다. * 그림 : 양자역학 기반의 시뮬레이션을 수행한 결과 NIST의 새 기구가 어떻게 미세하게 원자들의 사슬을 당길 수 있는지 입증되었다. 이 도표는 금 접점이 0.6나노미터 당겨짐에 따라 전도도에 생기는 양자도약을 기록하고 있다. 2차원 구조로부터 1차원 단일원자 사슬로 접합이 바뀌면, 그만큼 전도도가 떨어진다. 마지막 순간 이후에, 도선 길이 3.97 nm에서 사슬이 끊어진다. IMS-AtomChain.jpg 출처 : http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=41835