다이아몬드 광결정 공동에 의한 질소공백 방출기의 정밀 제어

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

인접한 2개의 탄소 원자들을 대체한 하나의 질소 원자와 빈 공간인 질소 공백 중심(nitrogen vacancy center)은 양자 디지털 정보를 실온에서 전자스핀의 형태로 저장할 수 있다. 그러한 정보는 나중에 레이저로 비춰질 때 방출하는 빛에 의해서 읽혀질 수 있으며 양자 컴퓨터에 사용된다. 하지만 신호가 약하기 때문에 증강되지 않는 한 식별이나 추출 및 전송이 힘들다. 하버드대(Harvard University), UC산타바바라(University of California, Santa Barbara), 시카고대(University of Chicago) 및 호주 시드니공대(University of Technology Sydney)의 연구진이 최대 2,4000의 품질인자 Q를 가진 다이아몬드 광결정 나노빔 공동을 제작함으로써 신호를 증강시키는 문제를 해결했다. 이 공동은 광자 방출을 약 30.1배 정도 향상시킨다. “질소공백에 적절히 맞춰진 광학 공동은 질소공동의 능력을 크게 증강시킬 수 있다”고 하버드대 연구원인 에벌린 휴(Evelyn Hu)는 말했다. 그녀의 연구팀은 나노 물질 구조의 광학 및 전자적 특성을 연구하고 있다. 광학공동에 의해서 신호가 향상되는 질소공백 중심은 양자 컴퓨터에서 양자정보의 기본 단위인 큐비트의 역할을 할 수 있다. 휴와 그녀의 동료들의 궁극적인 목적은 공명장(resonant field)의 가장 강한 부분이 항상 질소공백 중심과 일치하는 것을 보장하도록 만드는 것이다. 그들은 질소공백 중심의 정확한 위치를 알아냄으로써 그렇게 할 수 있다. 연구팀은 이 목표를 달성하기 위한 중요한 첫 단계로서 델타 도핑(delta doping)이라는 기술을 통해 다이아몬드 결함의 깊이를 제어했다. “스핀 평면을 이 구조에 통합함으로써 스핀-광자 상호작용을 조작할 수 있고 양자 효과를 미래 기술에 이용할 수 있다”고 시카고대 연구원 데이비드 아우스칼롬(David Awschalom)은 말했다. 그의 연구팀은 이 시스템을 성장시키고 특성을 평가했다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 질소공백 중심의 가능한 위치를 약 200nm 두께의 다이아몬드 막 내부에 샌드위치 형태로 끼어 있는 약 6nm 두께의 층으로 제한시켰다. 그런 뒤에 연구진은 막에 구멍들을 식각하여 광학 공동들을 만들었다. 이 방법을 이용한 연구진은 질소공백 중심에서 방출되는 빛의 세기를 약 30배 정도 증가시킬 수 있었다. 현재 연구팀은 질소공백 중심의 위치를 완전한 3차원적으로  제어하기 위한 방법들을 연구하고 있다. * 그림 : 질소공백 중심을 포함하고 있는 층에 식각된 나노 구멍들을 보여주는 다이아몬드 광학 공동의 주사전자현미경 영상. 척도막대는 200nm이다. * 관련논문 : Applied Physics Letters (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4904909 APL-Hu-photocavities.jpg http://www.laserfocusworld.com/articles/2014/12/diamond-photonic-crystal-cavities-allow-precise-positioning-of-nitrogen-vacancy-emitters.html