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[편집자주] 오늘날 인공지능(AI)과 반도체, 바이오 기술의 발전은 수십 년 전부터 축적된 기초과학 연구의 토대 위에서 가능했다. 기초과학은 새로운 지식과 미래 기술의 출발。이지만 성과가 나오기까지 오랜 시간이 걸린다. 2011년 출범한 기초과학연구원(IBS)은 연구자 중심의 장기 연구 지원을 위해 설립된 국가 연구기관이다. 동아사이언스는 IBS 출범 초기 연구단장과 IBS에서 성장해 대학·연구기관의 독립 연구자로 자리 잡은 과학자들을 만나 장기 연구의 성과와 한국 기초과학계에 남긴 변화를 살펴본다. 물리학이나 천문학에서는 하나의 장비가 새로운 세계를 열어주는 경우가 많다. 관측하지 못했던 찰나의 순간이나 미시세계, 우주현상을 새로운 장비 하나만으로 관측할 수 있기 때문이다. 2026년 노벨 물리학상도 물리천문 분야에서 '유령입자'로 불리는 중성미자를 관측할 수 있는 장비를 고안하고 현실화한 프랜시스 할젠 미국 위스콘신 매디슨대 교수가 단독 수상한 게 대표적이다. 원자 하나하나를 관찰할 수 있는 장비인 주사터널링현미경(STM)도 현대 물리학에서 빼놓을 수 없는 장비다. 100억분의 1미터 수준의 원자 하나하나를 영상화하고 전자의 상태를 분석하며 원자를 직접 옮길 수도 있어 현대 물리학 연구에서 중요한 실험장비로 꼽힌다. 핵심 장비를 확보하면 새로운 물리 현상을 관측해 연구를 선도하는 데 유리하다. 기초과학연구원(IBS) 원자제어 자차원 전자계 연구단(이하 연구단)은 10년간 장기 연구를  통해 세계 최고 수준의 STM을 개발하는 데 성공했다. 10년이라는 기간 동안 연구에 대한 의지와 뚝심 있는 지원이 없었다면 어려웠을 성과다. 포항 포스텍에서 만난 염한웅 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단장은 "주사터널링현미경의 파급력은 어마어마하다"면서 "한국에서 기존에는 존재하지 않았던 IBS라는 기관에 걸맞는 플래그십 프로젝트가 필요하다고 생각해 10여 년 전부터 개발을 추진했다"고 말했다 바다이야기예시 . ● 세계에서 가장 차가운 현미경…"10년 집념의 결실" 원자제어 저차원 전자계 연구단은 2014년 전세계에서 아무도 도달하지 못한 극저온을 구현하는 주사터널링현미경 개발에 착수해 2024년 결실을 맺었다. 원자제어 저차원 전자계 연구단의 주사터널링현미경은 76밀리캘빈(−273.15℃)의 극저온 측정 환경을 구현하는 데 성공했다. 온도가 높아지면 원자는 열에너지에 의해 진동하기 때문에 원자를 정밀하게 측정하기 위해선 온도를 극단적으로 낮춰야 한다. 극저온에서는 초전도현상 등 상온에서는 나타나지 않는 새로운 양자 현상도 연구할 수 있다. 장비 개발은 순탄치 않았다. 주사터널링현미경은 단순히 냉각만 잘하면 되는 장비가 아니다. 극도로 낮은 온도에서 진동과 전기적 잡음을 억제하면서 원자 수준의 측정 정밀도를 확보해야 하는 게 관건이다. 염 단장은 "2024년 처음으로 시연해보면서 당시 세계에서 가장 낮은 온도의 주사터널링전자현미경을 구현했다는 것을 알았다"면서 "3명의 과학자가 10년간 바친 시간과 45억 원의 연구비로 만든 결과"라고 했다. 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 확산으로 해외 장비 수입과 수리가 어려웠던 약 3년을 제외하면 실제 개발에 투입한 기간은 약 7년이다. 연구단은 장비를 수작업으로 제작하며 극저온 측정 환경을 구현했다. 염 단장은 "연구단에서 현재 주사터널링현미경을 이용한 주요 연구성과가 속속 나오기 시작했다"고 말했다. 초전도 현상에 대한 새로운 발견이 대표적이다. 초전도 현상은 두 전자가 쌍을 이루는 '쿠퍼쌍'이 형성되면서 나타난다. 기존 초전도체 대부분은 두 전자의 스핀 방향이 반대인 '스핀 싱글렛 페어링' 방식으로 초전도 현상이 발생한다. 바다이야기게임방법 반면 두 전자의 스핀이 같은 방향으로 정렬되는 '스핀 트리플렛 페어링'은 이론적으로 예측됐지만 지난 50여 년간 이를 실험적으로 입증하는 데 어려움이 있었다. 일부 우라늄 화합물에서 압력을 가했을 때 트리플렛 페어링이 나타난다는 간접적인 증거가 발견됐으나 명확한 입증에는 이르지 못했다. 염 단장 연구팀은 개발한 주사터널링현미경을 이용해 전자쌍의 대칭성을 측정하고, 외부 압력을 가하지 않은 상태에서 트리플렛 페어링이 자발적으로 형성된다는 직접적인 증거를 확보했다고 설명했다. 염 단장은 "국내 연구자들 대다수가 국내에는 주사터널링현미경과 같은 저온 측정장비가 없어 미국으로 원정을 떠난다"며 "후배들에게 입버릇처럼 미국 장비를 쓰면 한국 과학자들의 노하우와 연구성과에 대한 공로의 절반을 미국에 주는 셈이라고 이야기한다"고 말했다. 자체 장비가 있으면 연구자가 실험 일정과 조건을 주도적으로 결정할 수 있고 해외 연구진이 오히려 국내 장비를 이용하기 위해 공동연구를 제안할 수도 있다. 염 단장은 이어 "장비를 보유한 국가 입장에서는 '남는 장사'를 하는 건데 이제는 우리가 남는 장사를 할 수 있게 됐다"고 말했다. ● 끊임없이 새로운 질문을 던져야 '혁신적 성과' 나온다 염 단장은 "주어진 문제를 푸는 데 그치지 말고 항상 문제를 만들고 개척하는 연구자가 되어야 한다"고 강조했다. 염 단장은 1999년 실리콘 표면에 형성된 1차원 인듐 원자선에서 온도를 낮추면 금속 상태가 반도체 상태로 바뀌는 '상전이 현상'을 관측하고 연구결과를 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 발표했다. 원자선이란 원자가 일렬로 배열된 1차원 형태다. 염 단장의 발견은 '금속-비금속 상전이'라고 불리는 이 현상을 연구하는 하나의 분야가 시작된 출발.이었다. 연구단은 1차원 원자선과 같은 저차원 환경에서 원자를 제어하며 다양한 특성을 관찰하고 있다. 솔리톤 연구가 대표적인 사례다. 염 단장의 연구는 2010년대 들어 전환。을 맞았다 릴게임정글북 . 그는 "1999년부터 2005년 사이 다양한 원자선 상전이 현상을 발견했는데 2010년 무렵부터는 새로운 발견이 더이상 나오지 않는 막다른 길에 도달했다"면서 "포스텍으로 자리를 옮기며 솔리톤이란 개념을 본격적으로 연구하기 시작했다"고 말했다. 솔리톤은 형태를 그대로 유지하며 전파되는 파동의 한 형태다. 원자선 위에서는 솔리톤이 구조나 전자적 특성을 달리하며 서로 다른 여러 상태를 나타낼 수 있다. 컴퓨터 속 반도체는 기본적으로 전류가 흐를 때와 흐르지 않을 때의 두 상태로 연산을 수행한다. 솔리톤처럼 두 개 이상의 상태를 나타낼 수 있는 소자를 이용하면 기존 반도체보다 더 많은 정보를 더 빠르게 처리할 수 있다. 염 단장은 "솔리톤에는 전기저항 없이 정보를 저장하거나 전달할 수 있다는 장。도 있다"면서 "뇌 신경회로를 모사하는 뉴로모픽 컴퓨터나 다중치 컴퓨터 등 고전 컴퓨터를 넘어서는 새로운 컴퓨터를 만드는 데 활용될 것"이라고 내다봤다. ● "노벨 과학상 꿈꾼다면 차세대 연구자 육성하는 장기적 지원이 필수" 염 단장은 IBS 설립 구상 단계부터 연구단 운영 방향 등에 관한 의견을 적극적으로 제시했다. 염 단장은 "대학의 개별 교수 연구실이나 정부출연연구기관(출연연)만으로는 세계적인 연구집단과 경쟁하기 어렵다고 판단했다"고 말했다. IBS는 독일 막스 플랑크 연구소를 벤치마킹해 연구단장에게 명확한 권한을 부여하는 집단연구 체제를 갖췄다. 염 단장은 "한국에서 노벨 과학상 수상자가 나오려면 막스 플랑크 연구소처럼 노벨상급 발견을 할 수 있는 연구자 집단을 두텁게 만드는 정책이 필요하다"고 했다. 연구자들에 대한 쓴소리도 아끼지 않았다. 염 단장은 "IBS에 들어온 연구자는 많은 지원을 받는 만큼 이전보다 얼마나 더 높은 수준의 연구를 수행하게 됐는지 보여줘야 한다"면서 "앞으로 세계 연구자들이 IBS를 떠올릴 때 대표적으로 연상할 수 있는 플래그십 연구 성과가 필요하다"고 짚었다. v>메가슬롯