러시아 물리학자들이 양자컴퓨팅 큐비트 안정성 연구에 소개됐던 다이아몬드 질소 – 공동센터(nitrogen-vacancy center, NV) 전자 스핀을 활용, 초민감 자력계 안테나를 설계했다.

ITMO대학의 과학자들과 러시아 과학 아카데미의 리베데프 물리연구소 (Lebedev Physical Institute) 과학자들은 ‘유전체 공진기 안테나를 사용하는 다이아몬드 NV 센터 3D 균일 조작’ 논문에서 대량의 균일한 자기장을 생성하는 새로운 마이크로웨이브 안테나를 제안했다.

구조 결함을 가진 나노 다이아몬드 결합 전자 스핀(electronic spins)에 대한 균일하고 일관된 확인이 가능하다. 간질 및 기타 질병의 연구 및 진단에 있어서 뇌파 검사를 위한 새로운 초감도 자기장 탐지기를 만드는데 사용될 수 있다. 연구는 JETP Letters에 게재됐다.

자기장 특성을 연구하는 것은 네비게이션에서 의학에 이르기까지 많은 산업 분야에서 필요하다. 예를 들어, 뇌파 검사는 뇌수술 중에 발생하는 자기장을 기록 할 수 있을 뿐 아니라 개별 뉴런의 활동을 측정 할 수 있다. 이 방법은 간질 및 알츠하이머 병의 진단 또는 뇌 수술 준비에 사용된다. 그러나 자기 뇌파 검사는 매우 약한 경우에도 자기장의 특성을 기록하는 장치인 초민감 마그네토미터(magnetometers)가 필요하다.

따라서 과학자들은 새로운 세대의 초민감 자력계를 만드는 새로운 방법을 연구해왔다. 이러한 장치는 실온과 낮은 입력 전력에서 작동해야 한다. 또한, 그들은 작고 비교적 저렴해야 한다. 이 분야의 유망한 옵션 중 하나는 결함이 있는 나노다이아몬드다. 나노 다이아몬드는 다른 물질과 거의 상호 작용하지 않는 높은 굴절률과 높은 열 전도성을 가진 탄소 나노 구조체다. 이는 질소 – 공동센터(nitrogen-vacancy center, NV)와 같은 내부 구조의 복잡한 결함을 포함 할 수 있다.

질소 – 공동센터(nitrogen-vacancy center, NV) 모델.

이러한 결함은 인위적으로 만들어 질 수 있다. 다이아몬드의 결정 격자에서 탄소 원자가 제거되면 생성된 공극은 주입된 질소 원자에 결합된다. 이 결함의 구조는 각각의 중심 전자 스핀이 전자기장으로 형성되기 때문에 독특하다.

ITMO대 드미트리 주에브(Dmitry Zuev) 연구원은 “주변의 마이크로웨이브 자기장의 특성에 따라 NV 센터의 전자 스핀의 상태가 변화하고 이는 광학적 방법으로 기록 될 수있다”고 설명했다. 그러나 단일 NV 센터의 반응이 충분히 강하지 않기 때문에 이러한 결함의 조화로운 결합은 센서의 감도를 향상시키는 데 필요하다. 즉, 나노 다이아몬드의 모든 NV센터 전자 스핀 반응이 일관되게 다루어지고 조작되어야 한다는 것을 의미한다. 반응이 동일할 수 있도록 모두 동일한 세기의 마이크로파 자기장이 있어야 한다.

ITMO대학과 러시아 과학 아카데미 레베데브 물리연구소(Lebedev Physical Institute)의 과학자들은 유전체 마이크로파 안테나를 사용, 나노 다이아몬드 전체에서 NV센터의 전자 스핀을 일관되게 제어 할 것을 제안했다.

안테나는 많은 NV센터가 있는 나노 다이아몬드가 포함된 유전체 실린더로 표시된다. 이 시스템은 전류에 의해 동기화된다. 약 5 와트의 입력 전력이 인가되면, 유전체 실린더는 나노 다이아몬드 주변에 강한 균일한 자기장을 생성한다. 결과적으로, 모든 NV 센터의 전자 스핀은 동일한 방식으로 동기화되어 높은 마그네토미터 감도를 제공한다.

ITMO대 폴리나 카피타노바(Polina Kapitanova) 연구원은 “이 연구의 주된 도전 과제는 상업적으로 이용 가능한 나노 다이아몬드 샘플 전체에서 NV 중심의 전자 스핀을 일관되게 제어하는 ​​것이었다. 우리는 이를 위해 유전체 공진기(dielectric resonator)기반 안테나를 사용하기로 결정했다. 필요한 안테나 파라미터를 계산하고 예상되는 효과를 추정했다. 실험적 연구는 모스크바 알렉세이 아키모브(Alexey Akimov) 교수 연구그룹과 공동으로 수행했다. 우리는 실험 샘플을 수집하고 전자 스핀을 조작 할 수있는 빈도를 보여주는 라비(Rabi) 주파수를 측정했다. 이 값이 클수록 좋다. 우리는 10 메가 헤르츠의 라비 주파수를 가지고 있다”고 말했다.

Rabi 주파수를 측정하는 것은 새로운 자력계의 감도를 결정하는 첫 번째 단계다. 과학자들은 더 높은 품질의 자력계를 제공 할 새로운 안테나 구성을 찾기 위해 실험과 이론 연구를 계속할 계획이다. 이 연구는 러시아 과학재단이 지원했다.

임퓨리티스핀기반 양자컴퓨터 다이아몬드 NV-센터.

한편, NV센터는 양자 컴퓨팅 구현을 위한 큐비트 안정성 유지 연구에도 활용돼 왔다. 큐비트(qubits)는 동작을 위해서는 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)이 필요한데, 측정 과정에서 중첩 상태를 파괴하는 문제가 발생한다.

2016년 MIT 연구진은 네이처에 게재한 논문(Coherent feedback control of a single qubit in diamond)에서 측정없이 퀀텀 중첩을 유지할 수 있는 피드백 제어 시스템에 다이아몬드 내의 질소 공동 센터(nitrogen-vacancy center)를 이용했다.

연구진은 제어를 위해 전통적인 콘트롤러 대신, 퀀텀 콘트롤러를 이용했다. 콘트롤러가 양자 형태로 측정 작업을 필요로 하지 않는다.

편광 마이크로파가 있는 기하학적 스핀 큐비트를 통해 홀로노믹 양자 게이트 (holonomic quantum gates)를 위한 두 개의 교차된 와이어를 갖는 다이아몬드 질소 – 공동(NV) 센터. Credit: Yokohama National University, Nature Communications (2018)

순수 다이아몬드는 탄소 원자가 격자 구조로 배열돼 있다. 탄소 원자가 있어야 할 격자에서 사라지면 ‘공동'(vacancy) 상태로 간주된다. 이때 질소 원자가 탄소 원자의 자리를 채우면 질소 공동(NV) 센터라로 변모한다.

연구진에 따르면 강력한 자기장에 노출될 때 질소 공동 센터의 전자 스핀이 상승 또는 하락하는 퀀텀 중첩을 형성하게 되는데, NV-센터 퀀텀은 다른 기술의 경우보다 1,000배 더 오래 중첩상황에 머무를 수 있다.

* 관련 논문
3D uniform manipulation of NV centers in diamond using dielectric resonator antenna, Kapitanova et al. JETP Letters, vol. 108, iss. 9.

Coherent feedback control of a single qubit in diamond,Masashi Hirose & Paola Cappellaro Nature volume 532, pages 77–80 (07 April 2016)