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- 기존의 광학 현미경은 사용하는 빛의 파장보다 훨씬 작은 구조는 관찰할 수 없다.
- STED 현미경과 양자 기체 현미경은 유도 형광을 이용, 다른 양자 현미경들은 얽힌 광자를 이용해 이미지를 선명하게 만든다.
- 적외선 레이저로 작동하는 NOTE 현미경 개발, 약 0.1nm까지 원자 규모의 시료 구조 측정
- 이 접근법은 개별 원자수준에서 빛-물질의 상호작용 연구할 수 있는 새로운 가능성 열어

양자 광학 현미경, 원자 해상도 구현
터널링 효과와 레이저 광선의 조합으로 빛의 해상도 한계 극복

광학 현미경의 획기적인 도약:
물리학자들이 원자 크기의 구조까지 관찰할 수 있는 현미경을 개발했다. 놀라운 점은 이 현미경이 초미세 금속 팁, 일반 적외선 레이저 빔, 그리고 양자 효과만을 필요로 한다는 것이다. 터널링 전자가 레이저 광선에 특유의 흔적을 남겨 시료와 그 구조에 대한 정보를 제공하는 것이다. 연구팀은 이 새로운 근접장 광학 현미경(NOTE)이 원자 과정 연구에 새로운 가능성을 열어준다고 설명했다. 

▲ 양자 효과와 적외선 레이저를 이용하여 원자 해상도를 구현한 새로운 근접장 광학 현미경. © Brad Baxley/PtW

가장 작은 구조를 관찰할 때 광학은 근본적인 한계에 부딪힌다. 바로 빛 자체의 한계다. 기존의 광학 현미경은 사용하는 빛의 파장보다 훨씬 작은 구조는 관찰할 수 없다. 하지만 물리학자들은 이러한 아베 해상도 한계를 극복하기 위한 여러 기술을 개발해 왔다. STED 현미경과 양자 기체 현미경은 유도 형광을 이용하고, 다른 양자 현미경들은 얽힌 광자를 이용해 이미지를 선명하게 만든다.

▲ 펄스형 테라헤르츠 버전(왼쪽)과 기존 연속파 레이저 기반의 새로운 NOTE 기술을 비교한 그림. © Schiegl et al./ Nano Letters,/CC-by 4.0

금속 팁, 터널링 전자, 그리고 레이저 광

새로운 접근 방식 중 하나는 근접장 광학 터널링 현미경(NOTE)이다. 2024년 버밍엄 대학교의 토마스 시데이(Thomas Siday)가 처음 발표한 이 기술은 주사 탐침 현미경의 원리와 레이저 기반 측정 방식을 결합한 것이다. 원자 수준으로 미세한 금속 팁을 시료 표면의 원자에 매우 가깝게 접근시킨다. 두 번째 단계에서 물리학자들은 팁과 시료 사이의 아주 작은 틈(폭이 원자 몇 개에 불과함)에 초단파 레이저 펄스를 조사照射한다.

이 레이저 조사로 인해 현미경 팁과 시료 사이의 미세한 틈에서 양자 역학적 효과가 발생한다. 전자가 불과 몇 나노미터에 불과한 이 작은 틈을 통해 터널링하며 기존의 에너지 장벽을 극복하고 두 지점 사이를 왕복하게 된다. 핵심은 이 터널링 현상이 입사 레이저 광에 특정한 변화를 일으켜 거리, 전도도, 그리고 시료의 다른 특성에 대한 정보를 얻을 수 있게 해준다는 것이다. 하지만 기존 NOTE 현미경은 테라헤르츠파만 사용했기 때문에 값비싼 특수 레이저가 필요했다.

복잡한 테라헤르츠 펄스 대신 연속 적외선 레이저 사용

이제 상황이 달라졌다. 레겐스부르크 대학교의 시다이 교수와 제1저자 펠릭스 쉬글 교수(Felix Schiegl)가 이끄는 연구팀은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 간단한 적외선 레이저로 작동하는 NOTE 현미경을 개발했다. 연구팀은 "나노미터 규모로 변조된 광학 신호를 관찰할 수 있다"고 밝혔다. 실험 결과, 이를 통해 약 0.1nm(나노미터)까지 원자 규모의 시료 구조를 측정할 수 있었다.

쉬글 교수는 "원자 규모에서 양자 역학적 전자 운동을 측정하는 것은 기존 광학 현미경에 비해 해상도를 거의 10만 배 향상시키는 진정한 양자 도약"이라고 강조했다. 원자 직경보다 작은 거리를 이동하는 터널링 전자만으로도 측정 가능한 광학 신호를 생성할 수 있다는 것이다.

▲ 기계적 한계에서의 광학 이미징. (a) AFM 피드백 모드(A = 100 pm, Δνset = −1.8 Hz)에서 측정한 인접한 금 표면의 지형. (b) 동시에 기록된 산란 강도 I2로, 명확한 변조가 관찰된다. (c) 기계적 팁 진동 진폭 A2의 동시 획득 맵으로, 진동 주파수의 2차 고조파에서 복조되었다. 스캔에서 A2의 국부적인 피크가 나타나며, 이는 팁 진동의 비조화성을 나타낸다. (d) I2와 A2 사이의 픽셀 단위 상관관계를 나타내는 2차원 히스토그램으로, 색상 맵은 각 빈에 속하는 값 쌍의 수를 나타낸다. A2 값이 높을수록 I2 값도 높은 경향이 있다. (b)와 (c)에서 강조 표시된 영역은 회색 점선 오른쪽에 있는 데이터 포인트로, A2 > 4 pm인 영역이다. (e) 강도 I2와 2차 고조파 진폭 A2의 거리 의존성을 비교하여 두 신호의 감쇠 길이가 서로 다름을 보여준다. 점선은 데이터에 대한 지수 함수 피팅을 나타낸다. 패널 d와 e의 실험 데이터는 스캔의 순방향과 역방향에 대해 평균화되었으며, 음영 영역은 표준 편차를 나타낸다. (출처:January 22, 2026 / Atomic-Scale Optical Microscopy with Continuous-Wave Mid-Infrared Radiation / ACS Publications)

이전에는 거의 도달할 수 없었던 차원으로의 도약

물리학자들에 따르면, 이는 현미경 기술의 진정한 혁신이다. 광학 측정이 오랫동안 불가능하다고 여겨졌던 차원에 도달할 수 있음을 보여준다. 특히 주목할 만한 점은 이러한 해상도를 일반적인 연속파 레이저로도 달성할 수 있다는 것이다. 연구팀은 "연속파 레이저를 이용한 근접장 광학 터널 방출 관찰은 매우 놀라운 성과다. 일반적으로 이러한 현상을 관찰하려면 초단파 고출력 레이저 펄스가 필요했기 때문이다"고 밝혔다.

새로운 NOTE 기술을 사용하면 이처럼 강력하고 값비싼 초고속 레이저 시스템이 더 필요하지 않다. 따라서 이 방법은 기술적으로 더욱 접근하기 쉬워졌으며, 앞으로 전 세계 많은 연구실에서 활용될 수 있을 것이다. 이 접근법은 개별 원자 수준에서 빛과 물질의 상호작용을 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

참고: Nano Letters, 2026; doi: 10.1021/acs.nanolett.5c05319
출처: Universität Regensburg

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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