[논문]초고진공 저온 주사터널 현미경 장치의 최신 경향

함웅돈; 염한웅

doi:10.5757/vacmac.3.4.14

초고진공 저온 주사터널 현미경 장치의 최신 경향
Current Trend of Ultrahigh Vacuum Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.3 no.4, 2016년, pp.14 - 18

함웅돈 (기초과학연구원 원자제어 저차원 연구단) , 염한웅 (포항공대 물리학과, 기초과학연구원 원자제어 저차원 연구단)

초록
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본 원고에서는 2010년대 중반 현재 초고진공 환경에서 작동 가능한 저온 주사터널 현미경의 세계적 흐름을 정리 및 소개를 한다. 벡터형 초전도 자석을 장착한, 저진동 초고진공용 희석식 냉동기의 개발에 힘입어 수십 밀리 켈빈 이하의 온도 대 및 10 테슬라의 고자기장하의 실험 조건을 가지는 밀리 켈빈 주사터널 현미경이 세계 선도 그룹에서 속속 구축이 완료되고 있다. 또한 2000년대 중반 이후 본격적으로 시작된 1 켈빈 이하 고자기장 냉동기를 이용한 저온 주사 터널 현미경의 응용 범위 역시 넓어지고 있다. 튜닝 포크를 이용한 저온 원자 힘 현미경 및 저온 광자 주사터널 현미경을 이용한 연구도 활발히 진행되고 있다. 이러한 논의를 바탕으로 2020년대에 본격 출현할 초고진공 저온 주사터널 현미경의 흐름을 예측해 보겠다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this article, we will summarize recent advances in ultrahigh vacuum (UHV) low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) during the last decade. Leading STM groups have finished or are constructing UHV milli-Kelvin high magnetic field STM capable of a few tens of milli-Kelvin and ~ 10 tesla. Applications with UHV sub-Kelvin high magnetic STM have been increased since mid-2000's. Active research using UHV low temperature tuning fork atomic force microscopes and UHV photon low-temperature scanning tunneling microscopes will be introduced. Considering these advances of UHV low-temperature STM we will discuss next trend in STM in the near future.

AI 본문요약
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문제 정의

2 켈빈 저온 주사터널 현미경에만 구현이 되었으나, 1 켈빈 이하 또는 수십 밀리켈빈의 온도 대에서 구현이 앞으로 빨리는 수년 내에 가능할 것으로 여겨지는, 3) 튜닝 포크 원자간 힘 현미경 (tuning–fork atomic force microscope) 과4) 광자 주사터널 현미경을 소개하려 한다. 또한 결론부에서는 이러한 논의를 바탕으로, 2020년대의 저온 주사터널 현미경의 세계적인 흐름을 감히 예측해보려 한다.
또한 본 저자들이 저온 주사터널 현미경의 제작 경험을 시작한 90년대와는 달리, 현재 국내에서도 전자 빔 용접, 고파워 펄스 레이저를 이용한 레이저 용접 등의 고성능 용접 기법이 손쉽게 지원받을 수 있으므로, 1켈빈 이하 고자기장 냉동기의 제작은 국내 자체 제작이 가능하다. 이에 본 연구단에서도 연구단 고유 디자인 개념을 가진 1 켈빈 이하 7 테슬라 초전도 자석을 장착한 냉동기를 설계 및 제작 중이며, 그 완성을 목전에 두고 있다.

제안 방법

본 연구단에서는 그림 4에 보이듯이, 현재 6 켈빈 이하에서 작동하는 광자 주사 터널 현미경을 완성하였고, 현재 단일 분자의 라만 신호의 검출을 시도하고 있다 (그림 5). 또한 더 나아가 현재 자체 개발 중인 1 켈빈 이하 고자기장 주사터널 현미경에 광섬유를 이용하여 광자를 검출할 수 있는, 1 켈빈 이하 고자기장 광자 주사 터널현미경의 제작에 매진하고 있다.

후속연구

이에 본 연 구단에서는 초전도 자석 제작사에서 7 테슬라 초전도 자석 솔레노이드를 세 개를 구입하여 초고진공 1 켈빈 이하7 테슬라 주사터널 현미경을 위한 냉동기의 추가 제작에 곧 들어갈 계획이다. 각각의 냉동기는 위에서 언급한 독특한 기능, 즉, 더 낮은 온도의 주사터널 현미경, 광자주사터널 현미경, 튜닝 포크 원자간 힘 현미경의 기능을 각자 가지도록 할 계획이다.
그림 1은 본 연구단에서 구축중인 초고진공 밀리켈빈주사터널 현미경을 위한 냉동기의 개요를 보여준다. 강력한 냉동 파워에 힘입어 10 밀리 켈빈 또는 그 이하의 실험 온도를 확보할수 있을 것으로 기대되며, 9+2+2 테슬라의 삼차원 벡터형 초전도 자석을 장착하여 각종 단일 전자 스핀 및 핵 스핀의 성질 등의 자성 연구에 사용될 것이다. 그림 2에서는 진동 방지 대책 및 전체적인 시스템 개요를 보여준다
이러한 극한 실험 조건은 2000년대 중반까지만 해도 주사터널 현미경 장치에서는 구현이 불가능해서, 소위 “수송 현상 연구 공동체(transport research community)” 만이 보여줄 수 있는 실험 조건이라고 여겨졌었다. 그러나 이제 초고진공 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경의 출현으로 수송 현상 연구 공동체의 실험 조건과 동일한 실험 조건 대역의 연구를 할 수 있게 되었다. 또한 더 나아가, 뒤에서 논의할 원자간 힘 현미경 및 광자 주사터널 현미경의 기법의 완숙도로 인해서, 주사터널 현미경만이 가능케 하는 더 극한 실험 조건하의 연구도 가능하게 되어서, 2010년대 중반인 현재를 초고진공 주사터널 현미경의 황금시대라고 부를 수도 있겠다.
둘째, 밀리켈빈 같은 극저온 온도대역이 아니기 때문에 주사터널 현미경에 기능을 더 추가하기가 용이하다는 점이다. 예를 들면 다음 섹션에서 논의 할, 광자 측정을 위한 광섬유 및 렌즈 등을 샘플 근처에 장착해도 그 온도 대가 유지될 수 있어, 1 켈빈 이하 고자기장 주사터널 현미경으로 확장이 용이하다.
또한 역시 뒤에서 언급할 튜닝 포크 원자간 힘 현미경을 장착한 1 켈빈 이하 고자기장 주사터널 현미경으로의 확장도 가능하다. 이에 본 연 구단에서는 초전도 자석 제작사에서 7 테슬라 초전도 자석 솔레노이드를 세 개를 구입하여 초고진공 1 켈빈 이하7 테슬라 주사터널 현미경을 위한 냉동기의 추가 제작에 곧 들어갈 계획이다. 각각의 냉동기는 위에서 언급한 독특한 기능, 즉, 더 낮은 온도의 주사터널 현미경, 광자주사터널 현미경, 튜닝 포크 원자간 힘 현미경의 기능을 각자 가지도록 할 계획이다.
이제 이십 년 동안 초고진공 저온 주사 터널 현미경은 두 세대가 지나, 현재 수송 현상 연구 공동체가 보여주는 현상을 보여줄 수 있는 단계에 들어왔을 뿐 아니라, 튜닝 포트 원자간 힘 현미경 및 광자 주사터널 현미경과 같은 차세대 기법이 1켈빈 이하 또는 밀리켈빈의 온도 대역과 고자기장 환경에 접목된다면, 더 다채로운 물리 및 화학 현상을 보여 줄 수 있을 것이 분명하다. 이에 초고진공 저온 주사 터널 현미경 연구자로서 자부심을 느낄 뿐만 아니라, 그 연구 영역을 넓혀야 한다는 책임감도 동시에 느끼고 있고, 앞으로 새로운 타입의 초고진공 저온 주사터널 현미경을 계속 제작해 나갈 계획이다. 본 원고에서는 언급하지 않았지만, 고효율 저진동 폐쇄형 냉동기 (closed cycle cryocooler)의 현재 개발 추세를 보면 [10], 2020년대에는 저온 주사터널 현미경이 보여주는 경계는 현재보다 더욱더 넓어질 수 있음이 분명하다.
저자들이 90년대에 저온 주사터널 현미경을 배워갈때, 저온 주사터널 현미경의 실험 온도대가 수송 현상 연구 공동체의 수십 밀리켈빈 실험온도에 비하면 엄청 “뜨겁다”는 자조 섞인 농담을 저온 주사 터널 현미경 구성원들끼리 했던 기억이 난다. 이제 이십 년 동안 초고진공 저온 주사 터널 현미경은 두 세대가 지나, 현재 수송 현상 연구 공동체가 보여주는 현상을 보여줄 수 있는 단계에 들어왔을 뿐 아니라, 튜닝 포트 원자간 힘 현미경 및 광자 주사터널 현미경과 같은 차세대 기법이 1켈빈 이하 또는 밀리켈빈의 온도 대역과 고자기장 환경에 접목된다면, 더 다채로운 물리 및 화학 현상을 보여 줄 수 있을 것이 분명하다. 이에 초고진공 저온 주사 터널 현미경 연구자로서 자부심을 느낄 뿐만 아니라, 그 연구 영역을 넓혀야 한다는 책임감도 동시에 느끼고 있고, 앞으로 새로운 타입의 초고진공 저온 주사터널 현미경을 계속 제작해 나갈 계획이다.
이러한 추세로 보면 수년 내에 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경의 보유 여부가 세계 선도 주사터널 현미경 그룹인지를 가르는 하나의 기준이 될 것이라고 말할 수 있을 것이다. 초고진공용 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경을 위한 강력한 냉동 파워를 갖는 희석식 냉동기가 지난 십 년간 몇몇 냉동기 제작사들에 의해서 개발되어 왔고, 앞으로도 저진동 소형 희석식 냉동기가 계속 개발될 것으로 예상되어 2020년대에는 바야흐로 초고진공 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경의 시대가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고진공 저온 주사터널 현미경의 특징은 무엇인가?	초고진공 환경에서 샘플의 처리 및 분석이 가능한 초고진공 저온 주사터널 현미경은 1990년대 초반 본격적으로 등장하여, 현재까지 수십 년간 주사터널 현미경을 이용한 연구를 선도하고 있다. 액체 헬륨 저장기 (reservoir)의 4.
	1 켈빈 이하 고자기장 주사터널 현미경이 단일 전자 스핀 관련 연구 및 위상 부도체의 연구가 가능하게 된 이유는 무엇인가?	2 ~ 10 켈빈의 샘플 온도 대역을 가지는, 초고진공 4 켈빈 저온 주사터널 현미경은 현재까지도 초고진공 주사터널 현미경의 기본형으로서 여러 초고진공 환경에서의 표면 연구에 사용되어 왔다. 2000년대 중반 이후에 본격적으로 등장한 1 켈빈 이하 고자기장 주사터널 현미경은, 10 테슬라 정도의 고자기장에 의한 전자 에너지 레벨의 지만 분열 (Zeeman splitting)이 열적 동요보다 더 큰 실험 조건을 만들어내기 때문에 본격적인 단일 전자 스핀 관련 연구 및 위상 부도체의 연구를 위시한 여러 중요한 연구를 가능케 해왔다.
	초고진공 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경을 사용하기 이전인 2000년대 중반까지의 실험환경은 어떠하였는가?	지난 이십 년 이상의 저온 및 고자기장 경험을 바탕으로 이제 2010년대 중반 저온 주사 터널 현미경의 선도 흐름은 10 테슬라 정도의 고자기장 환경에서 수십 밀리 켈빈의 실험 온도 대역을 가능케 하는, 초고진공 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경이라고 할 수 있다. 이러한 극한 실험 조건은 2000년대 중반까지만 해도 주사터널 현미경 장치에서는 구현이 불가능해서, 소위 “수송 현상 연구 공동체(transport research community)” 만이 보여줄 수 있는 실험 조건이라고 여겨졌었다. 그러나 이제 초고진공 밀리켈빈 고자기장 주사터널 현미경의 출현으로 수송 현상 연구 공동체의 실험 조건과 동일한 실험 조건 대역의 연구를 할 수 있게 되었다.

참고문헌 (10)

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S. Zhang, D. Huang, S. Wu, Rev. Sci. Instrum., 87, 063701 (2016).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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