일본 연구진이 단일 원자를 '카메라'처럼 사용해 기존 광학현미경의 해상도 한계를 뛰어넘는 새로운 측정 기술을 개발했다.
일본 분자과학연구소(IMS)의 도미타 다카후미 조교수와 오모리 겐지 교수 연구팀은 29일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 이같은 내용의 '원자 카메라' 기술을 발표했다.
연구팀은 절대영도에 가깝게 냉각한 단일 원자를 광학 족집게로 포획해 탐침으로 활용했다. 이 원자를 나노미터(10억분의 1미터) 단위로 정밀하게 움직이며 에너지 변화를 측정하는 방식이다.
이를 통해 빛의 세기 분포는 물론 편광 분포까지 시각화하는 데 성공했다. 편광은 빛이 특정 방향으로 진동하는 성질을 말한다.
연구팀은 이 기술로 100나노미터 이하의 공간 해상도를 구현했다. 이는 빛의 파장보다 작은 구조를 관찰할 수 없는 기존 광학현미경의 '회절 한계'를 넘어선 것이다.
연구팀은 실험에서 약 1마이크로미터(100만분의 1미터) 폭의 레이저 빔에 나타나는 복잡한 원형 편광 구조를 직접 관찰하는 데 성공하며 기술의 성능을 입증했다.
이번에 개발된 '원자 카메라'는 중성원자 양자컴퓨터 등 차세대 양자 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 양자컴퓨터는 미세한 레이저 빛으로 원자(큐비트)를 제어하는데, 이 빛의 세기와 편광을 나노미터 수준에서 직접 측정하고 제어하는 것이 중요하기 때문이다.
연구팀은 "기존 방법으로는 접근하기 어려웠던 나노 규모의 광학 구조를 직접 관찰할 수 있는 새로운 길을 열었다"고 설명했다.