"지구 자기장 10억 분의 1 잡는다"… 中·獨 연구진, 상온 작동 초정밀 '공중 부양 나침반' 개발

인간의 뇌 활동에서 발생하는 미세한 뇌파 자기 신호와 우주의 기원을 품은 암흑물질 후보 입자를 포착할 수 있는 세계 최초의 상온 작동형 초정밀 ‘공중 부양 자기 센서’가 중국과 독일 공동 연구진에 의해 개발됐다.

극저온 냉각 장비나 거대한 특수 자기 차폐실 없이도 도시락통 크기의 소형 진공 챔버 안에서 지구 자기장보다 10억 배나 희미한 펨토테슬라 수준의 극미세 자기장을 측정할 수 있어, 기초물리학의 난제 규명은 물론 차세대 의료 진단 및 자원 탐사 패러다임을 바꿀 획기적인 도약으로 평가받는다.
9월 6일(현지시각) 홍콩 영자 일간지 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도에 따르면, 중국 베이징대학교와 독일 마인츠의 요하네스 구텐베르크 대학교 공동 연구팀은 마찰이 전혀 없는 공중 부양 자석 기술을 기반으로 한 초고감도 자기계 ‘르마마(LeMaMa·Levitated Magnet Magnetometer)’를 성공적으로 구축했다.

이번 획기적인 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제 학술지 '사이언스(Science)' 8월 6일 자에 정식 게재됐다.


자연계의 자기장은 병원 MRI(자기공명영상) 장치에서 나오는 약 1.5테슬라 수준부터, 인간 뇌의 신경 활동이 만들어내는 수십 분의 1 펨토테슬라 수준까지 스펙트럼이 극도로 넓다.

지금까지 펨토테슬라 수준의 극미세 자기장을 감지하기 위해서는 주로 두 가지 방식에 의존해야만 했다.

초전도 양자 간섭 장치(SQUID)는 감도가 매우 뛰어나지만, 절대영도에 가까운 극저온을 유지해야 해 막대한 비용의 액체 헬륨 냉각 시스템과 거대한 설비가 필수적이었다.
원자 자기계(SERF)는 고온으로 가열된 원자 증기를 활용하며, 외부 잡음을 막기 위해 두꺼운 특수 차폐실 내부의 ‘자기장 제로’ 환경에서만 작동해 측정 대상(환자나 샘플)을 차폐 공간 안으로 가져와야 하는 물리적 제약이 컸다.

반면 르마마는 상온(실온)에서 정상 작동하며, 거대한 자기 차폐실이 필요 없고 센서 코어 자체가 수백 마이크로미터 단위로 소형화되어 있다.

극저온 냉매나 가열 장치 없이 시스템 전체를 손바닥만 한 진공 챔버와 진동 차단 장치 안에 담아낼 수 있어, 초고감도 자기 탐지 기술을 폐쇄된 대형 실험실 밖 실제 산업 현장으로 끌어낼 수 있는 전기를 마련했다.


르마마의 기본 구동 원리는 초정밀 나침반과 흡사하다. 나침반이 극도의 민감도를 가지려면 바늘의 회전축 마찰이 제로여야 하며, 이를 위해 센서 바늘을 공중에 완전히 띄우는 방식을 택했다.

핵심 감지 부품은 두께 0.4㎜ 미만의 초소형 영구자석이다.

연구팀은 이 감지 자석 위쪽에 또 다른 자석을 배치해 중력을 상쇄하는 인력을 발생시켰다.

하지만 인력만으로는 마치 매끄러운 탁자 위에 달걀을 세우듯 미세한 흔들림에도 자석이 뒤집히거나 위로 달라붙는 불안정 상태에 빠진다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 감지 자석 아래에 특수 설계된 '반자성(Diamagnetic) 소재'를 배치했다.

반자성 물질은 자석을 밀어내는 척력을 발생시켜, 보이지 않는 쿠션처럼 자석을 아래에서 안정적으로 떠받쳐 준다.

이로써 감지 자석은 어떠한 물리적 지지대나 회전축 없이도 진공 챔버 내에서 완벽한 평형을 이루며 허공에 뜬 채 외부 자기장에 반응하는 '자유로운 나침반 바늘'이 된다.

외부에서 미세한 자기장이 인가되면 공중에 뜬 자석이 나노 단위로 미세하게 흔들리며, 연구팀은 이 회전 편향각을 정밀 레이저로 측정해 자기장의 세기와 변화를 역산해 낸다.


르마마의 가장 경이로운 특징은 강력한 지구 자기장이라는 거대한 자연 배경 잡음 속에서도 이를 뚫고 10억 배나 약한 펨토테슬라급 신호만을 분리해 감지해낸다는 점이다.

연구의 공동 교신저자인 지웨이(Ji Wei) 베이징대 물리학부 조교수는 "상온 구동, 초소형 부품, 압도적인 감도의 결합은 르마마를 미래 물리학 실험의 강력한 도구로 만들어 준다"며 "이미 르마마를 적용해 가상 입자인 '액시온(Axion)' 암흑물질 탐색을 진행했으며, 특정 질량 대역에서 기존 세계 최고 수준의 측정 결과보다 감도를 수십 배 끌어올리는 데 성공했다"고 밝혔다.

응용 분야 역시 무궁무진하다.

바이오메디컬 분야에서는 환자가 차폐실에 들어갈 필요 없이 헬멧 형태로 머리에 착용해 실시간으로 뇌자도(MEG)를 측정, 알츠하이머나 뇌전증 등 뇌신경계 질환을 정밀 진단할 수 있다.

지구물리학 분야에서는 드론이나 휴대용 장비에 센서를 탑재해 초정밀 지자기 지도를 제작하거나 지하 광물 및 희토류 자원 탐사, 잠수함 등 수중 군사 표적 탐지의 정밀도를 극대화할 수 있다.

중국-독일 공동 연구진의 이번 르마마 센서 개발은, 향후 ‘천문학적인 비용과 거대 설비에 갇혀 있던 양자 수준의 정밀 계측 기술을 상온·소형화 플랫폼으로 해방시킨 중대한 물리공학적 혁신’이자 ‘우주 미지의 암흑물질 규명부터 비침습 차세대 뇌과학 진단 기기 상용화에 이르기까지 폭넓은 첨단 딥테크 산업의 판도를 뒤흔들 핵심 기폭제’로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com