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[연구] 기존보다 100배 해상도 MRI 기술개발

윤지은 기자yje00@healthi.kr 입력 : 2019-07-03 10:28  | 수정 : 2019-07-03 10:28

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세계에서 가장 작은 MRI 원자 관측 결과
사진=IBS

 

[헬스앤라이프 윤지은 기자] 세계에서 가장 세밀한 MRI 기술이 한미 공동연구진에 의해 개발됐다. 원자 한 개의 자기장을 관찰할 수 있는 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 기술 개발로 의료진들의 보다 정확한 진단이 가능해질 전망이다.

 

2일 기초과학연구원(원장 김두철)에 따르면 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히(Andreas Heinrich, 이화여대 물리학과 석좌교수) 단장이 이끄는 연구진과 미국 IBM 공동연구팀은 기존의 MRI보다 100배 이상 해상도를 높인 MRI 기술을 개발했다. 

 

병원 MRI 촬영에는 보통 수억 개 원자 스핀이 필요하다. 분자 수준까지 측정할 수 있는 연구도 있었으나 해상도가 나노미터 수준에 그쳐 개별 원자를 또렷이 보기는 어렵다는 기술적 한계가 있었다.

 

연구진은 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)에서 해결책을 찾았다. 주사터널링현미경은 매우 뾰족한 금속 탐침을 시료 표면에 가깝게 스캔해 탐침과 시료 사이에 흐르는 전류로 표면 원자를 보는 장비다.

 

연구진은 주사터널링현미경 탐침 끝에 원자 여러 개를 묶은 스핀 클러스터를 부착하는 방법을 고안했다. 스핀끼리 자석처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 성질에 착안했다. 스핀 클러스터는 안정적인 탐침 원자와 달리 자기장을 띠는데 시료 원자의 스핀과 자기적인 상호작용이 발생할 것으로 예측했다. 초고진공, 극저온 조건이 탐침으로 하여금 시료 표면에 더욱 가까이 접근할 수 있을 것으로 보고 이를 적용했다.

 

시료 원자 주변으로 탐침의 스핀 클러스터를 움직이며 원자 한 개를 시각화하기 위한 실험을 거듭한 결과 표면 위 원자 하나와 스핀 클러스터 사이의 자기적 공명을 읽어내는 데 성공했다. 기존의 분자 수준 자기공명영상보다 100배 높은 해상도로 원자 하나의 또렷한 자기공명영상을 촬영한 것은 이번 연구가 세계 최초다.

 

연구진은 이번에 개발된 기술을 사용해 단백질이나 양자시스템처럼 복잡한 구조 속 원자 하나하나의 스핀 상태들을 시각화할 계획이다.

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 <네이처 피직스(Nature Physics, IF=22.727)>에 지난 2일 자로 온라인 게재됐다.

 

(왼쪽부터)배유정 IBS양자나노연구단 연구위원(공동저자), 
, 양자나노과학 연구단 안드레아스 하인리히 단장(교신저자), 필립 뮐케 IBS양나노연구단 연구위원(제1저자)  
사진=IBS

 

다음은 논문 원본 일부 발췌본. (Down loaded from Nature Physics)

 

Magnetic resonance imaging of single atoms on a surface

               Philip Willke, Kai Yang, Yujeong Bae, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz  

 

Abstract

 

Magnetic resonance imaging (MRI) revolutionized diagnostic medicine and biomedical research by allowing non-invasive access to spin ensembles1. To enhance MRI resolution to the nanometre scale, new approaches2,3,4 including scanning probe methods5,6,7,8 have been used in recent years, which culminated in the detection of individual spins5,6. This allowed for the visualization of organic samples9 and magnetic structures10,11, as well as identifying the location of electron7,8 and nuclear spins12. Here, we demonstrate the MRI of individual atoms on a surface. The set-up, implemented in a cryogenic scanning tunnelling microscope, uses single-atom electron spin resonance13,14 to achieve subångström resolution, exceeding the spatial resolution of previous MRI experiments5,6,7,8 by one to two orders of magnitude. We find that MRI scans of different atomic species and with different probe tips lead to unique signatures in the resonance images. These signatures reveal the magnetic interactions between the tip and the atom, in particular magnetic dipolar and exchange interaction.

 

 

세상에서 가장 작은 MRI_실험모식도
사진=IBS

 

※ 출처  Nature Physics


yje00@healthi.kr

 


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