Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(2)

다이아몬드 질소-빈자리(DNV)를 이용한 양자센싱 

오상원_아주대학교 물리학과 부교수

I.    서론

다이아몬드 질소-빈자리(Diamond Nitrogen-Vacancy, DNV) 중심은 양자센싱, 양자컴퓨팅, 양자통신 등 양자정보과학 분야에서 활발히 연구되는 원자 크기의 고체 불순물이다. DNV 중심은 자기장, 전기장, 온도 등 다양한 물리량을 매우 높은 민감도로 측정할 수 있으며, 나노미터에서 밀리미터 이상에 이르는 다양한 공간 분해능으로 측정이 가능하다. 이러한 측정은 특정 조건에 제한되지 않고 상온, 극저온, 고압 등 극한 환경에서도 수행할 수 있어 상업적 활용 가능성이 높은 양자센서로 주목받고 있다[1,2]. 뿐만 아니라, 양자컴퓨팅 분야에서는 최근 DNV 중심 기반 2-큐빗 게이트에서 99.9% 이상의 신뢰도가 보고되었으며, 양자통신 분야에서는 DNV 중심과 마이크로 공진기를 결합해 스핀-광자 양자 통신 인터페이스를 구현하는 연구가 진행되고 있다[3, 4]. 

본 원고에서는 다양한 양자정보과학 분야에서 활용되는 DNV 중심의 특성과 이를 이용한 양자센싱 측정 방법 및 응용 사례를 간략히 소개한다. 원고의 구성은 I. 서론, II. DNV 중심의 특성 및 센싱방법, III. 다양한 NV기반 양자센싱, IV. 결론으로 구성된다. II. DNV중심의 특성 및 센싱방법에서는 DNV의 결정구조 및 에너지 준위, 광학기반 자기공명, 양자센싱을 위한 기본적인 측정기법을 다룬다. III. 다양한 NV 기반 양자센싱 단원에서는 단일 NV중심과 앙상블NV중심을 이용한 활용한 측정 및 응용 방법을 논의한다. 그리고 IV. 결론에서는 본 리뷰를 요약하며 마무리한다.

II. DNV 중심 특성 및 동작원리

A.    불순물 구조 및 에너지 준위

다이아몬드 질소 빈자리(diamond nitrogen-vacancy, DNV) 결함은 다이아몬드 내부에 존재하는 다양한 불순물 중 하나로, 격자 구조를 구성하는 탄소 원자가 질소 원자(N, substitutional nitrogen)로 치환되고 인접한 탄소 원자 자리에 빈자리(V, vacancy)가 형성된 구조이다. 이러한 결함은 그림 1(a)와 같이 <111> 방향을 따라 C3v 대칭성을 갖는 원자 크기의 점결함(point defect)이다 [1]. 전하 상태에 따라 NV 중심은 음전하를 띠는 NV⁻(spin = 1)와 중성인 NV⁰(spin = 1/2)로 구분된다.

그림 1. NV 불순물의 결정 및 전자구조와 발광 스펙트럼[2]

NV⁻ 중심의 경우, 6개의 전자가 기저 준위(³A₂, ground state), 여기 준위(³E, excited state), 그리고 스핀 단일항 상태(¹A1, ¹E, spin-singlet state)로 구성된다. 이때의 분자 궤도(molecular orbit)는 그림 1(b)와 같이 나타낼 수 있다. NV⁻의 에너지 준위 구조는 그림 1(c)와 같이 기저 준위, 여기 준위, 그리고 스핀 단일항 상태로 표현되며, 기저 준위와 여기 준위 각각에서 전자 스핀 준위(ms = 0, ms = ±1) 간의 영자기장 분리(zero-field splitting)는 각각 D = 2.87 GHz와 1.42 GHz이다 [2]. 앞으로 NV-대신 NV로 간략히 표기하기로 한다.

NV의 스핀 기반 대조비(contrast)는 전자 스핀 준위 상태에 따른 발광 세기 차이에서 기인한다. 그림 1(c)에서 NV가 기저 준위의 ms = 0 상태에 있을 때 532 nm 파장의 빛을 조사하면, 600–800 nm 영역의 강한 발광이 발생한다. 반면 ms = ±1 상태에서는 여기 준위로 전이한 뒤, 스핀 단일항 상태로의 인터시스템 크로싱(inter-system crossing, ISC)을 거쳐 비복사(non-radiative) 전이로 ms = 0 상태로 돌아올 확률이 높아 발광 세기가 감소한다. 따라서 NV의 발광 세기를 측정함으로써 전자 스핀 준위를 판별할 수 있다. 또한 532 nm 빛을 지속적으로 조사하면 ISC 과정을 통해 NV 스핀을 ms = 0 상태로 초기화할 수 있다. 

NV⁰ 중심 또한 532 nm 파장의 빛을 조사할 경우 575–750 nm 대역의 발광을 보이나, NV⁻와 달리 ms 상태에 따른 발광 세기 차이는 나타나지 않는다(그림 1(d)).

그림 2. ODMR [2, 5]

-----이하 생략

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