양자 기술을 위한 단일 포톤 방출 향상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

미국 퍼듀 대학의 연구진은 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하여 단일 포톤의 방출을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. 이 기술은 양자 컴퓨터와 통신 기술 개발을 위한 새로운 디바이스 개발을 가능하게 해 줄 수 있을 것이다. 광학 메타물질은 표면 플라즈몬이라고 불리는 전자 구름을 이용하여 빛을 제어하고 조절한다. 퍼듀 대학의 연구진은 이전에 금속 타이타늄 질화물 및 절연체 또는 유전체, 알루미늄 스칸디움 질화물의 층으로 슈퍼격자를 만들었다. 금이나 은과 같은 귀금속을 이용한 현재 개발 중인 플라즈몬 부품과는 달리, 이 새로운 메타물질은 집적 회로를 제작하는데 사용되는 상보형 금속 산화물 반도체 제조 공정과 호환성이 있다. 메타물질은 하이퍼볼릭이라고 불린다. 그 이유는 그것이 독특한 성질을 가지고 있어서 향상된 빛 출력을 발생시키기 때문이다. 이 새로운 발견에서, 연구진은 질소 공동 센터를 가진 나노다이아몬드를 새로운 메타 물질에 부착시켜 단일 포톤의 생산을 더 향상시킬 수 있다는 것을 시연하였다. 이것은 뛰어난 컴퓨터, 암호학 및 통신 기술에 기여할 수 있을 것이다. 이 결과는 나노다이아몬드 기반 단일 포톤 방출기의 밝기가 그와 같은 방출기를 하이퍼볼릭 메타물질의 상단에 설치함으로써 크게 향상될 수 있다는 것을 보여주는 것이라고 연구진은 말하였다. 단일 포톤 방출기는 매우 효율적인 실온 CMOS 호환성 단일 포톤 소스를 제작하는데 사용될 수 있다. 이들의 연구는 퍼듀 대학과 러시아 양자 센터, 모스크바 물리 및 기술 연구소 등과 공동으로 수행되었다. 질소 공동 센터는 질소 원자를 탄소 원자와 교체하고 격자의 이웃에 빈 공동을 생성시킴으로써 다이아몬드 격자 안에 형성된 원자 스케일의 결함이다. 하이퍼볼릭 메타물질의 표면에서 질소 공동 센터를 포함하는 나노다이아몬드를 만드는 것은 포톤 방출을 향상시킬 뿐만 아니라 방출된 빛 패턴을 변화시킨다. 이것은 양자 디바이스의 개발에 중요하다고 연구진은 말하였다. 연구된 시스템은 실온에서 작동하는 단일 포톤의 안정된 소스를 나타내기 때문에, 그것은 잠재적으로 상업적 응용에 실용성이 있는 것이다. 레이저 빛에 노출되면, 시스템은 기저상태에서 여기상태로 바뀌고, 이것은 자발적으로 포톤을 방출하게 만든다. 연구진은 그것이 더 빠르게 방출하도록 하여 방출률을 높이고자 하였다. 이들의 연구 결과 시스템은 더 빠르게 단일 포톤을 생산할 수 있었으며 더 방향성을 가지고 더 많은 양이 생성되었다. 메타물질은 특징, 패턴 또는 요소를 포함하는 표면을 가지도록 제작된다. 이전에는 가능하지 않은 빛의 조절이 가능한 질화물 층 또는 미세한 안테나와 같은 것이다. 인위적인 원자 및 분자, 광학 메타물질의 제작은 나노미터 스케일 상에서 정밀 제작 공정 덕분에 가능해진 것이다. 양자 컴퓨터는 중첩 및 얽힘이라고 불리는 양자 이론에 의해 기술된 현상의 장점을 이용한다. 전통적인 컴퓨터에서 존재하는 0 및 1의 상태 대신에, 양자 컴퓨터는 중첩 양자 상태를 이용한다. 양자 물리에 기반한 컴퓨터는 양자 비트 또는 큐비트를 가진다. 이를 이용하여 컴퓨터의 처리, 저장 및 정보 송신 용량을 확장시킬 수 있는 것이다. 질소 공동은 또한 센터의 핵 또는 전자 스핀 상태에 기반한 정보를 잠재적으로 기록할 수 있으며, 이것은 양자 컴퓨팅에 유망하다. 스핀은 업 또는 다운 상태가 될 수 있으며 업 및 다운 상태의 양자 중첩을 형성한다. 이것은 정보 처리를 위한 새로운 기술을 나타낸다. 앞으로 연구는 나노안테나와 광학적 웨이브가이드와 하이퍼볼릭 메타물질을 결합한 디바이스로 시스템을 향상시키는 것이다. 현재 연구는 질소 공동을 가진 시스템의 스핀 특성을 향상시키고 업 상태와 다운 상태 사이의 광학적 대비를 조사하는 것이다. 이들의 연구 결과는 “Enhancement of single–photon emission from nitrogen–vacancy centers with TiN/(Al,Sc)N hyperbolic metamaterial,” 라는 제목으로 Laser & Photonics Reviews 저널에 발표되었다. 첨부그림: 나노다이아몬드가 새로운 하이퍼볼릭 메타 물질의 표면 상에 추가되어 단일 포톤의 생상 향상에 기여하게 되었다. 이것은 양자 컴퓨터 및 통신 기술 개발을 위한 디바이스 제작에 중요한 단계이다. singlephoton.jpg http://phys.org/print340394426.html