블로그

Nov 06, 2023

양자 센서는 기록적으로 살아남습니다

결정 구조의 미세한 결함을 기반으로 한 양자 센서

베이징에 있는 중국과학원 물리학자들의 연구에 따르면, 다이아몬드 결정 구조의 미세한 결함을 기반으로 한 양자 센서는 최대 140기가파스칼의 압력에서도 작동할 수 있다고 합니다. 이번 발견은 소위 질소 공공(NV) 센터를 기반으로 하는 양자 센서의 작동 압력에 대한 기록을 세웠으며, 새로 발견된 내구성은 응집 물질 물리학 및 지구물리학 연구에 도움이 될 수 있습니다.

NV 중심은 다이아몬드의 인접한 두 탄소 원자가 질소 원자와 빈 격자 위치로 대체될 때 발생합니다. 이들은 서로 다른 스핀을 갖는 작은 양자 자석처럼 작용하며, 레이저 펄스로 여기되면 이들이 방출하는 형광 신호를 사용하여 인근 물질 샘플의 자기 특성의 약간의 변화를 모니터링할 수 있습니다. 이는 방출되는 NV 중심 신호의 강도가 국지적 자기장에 따라 변하기 때문입니다.

문제는 이러한 센서가 취약하고 열악한 조건에서는 작동하지 않는 경향이 있다는 것입니다. 이로 인해 기가파스칼(GPa) 압력이 만연한 지구 내부를 연구하거나 매우 높은 압력에서 제작되는 수소화물 초전도체와 같은 물질을 조사하는 데 사용하기가 어렵습니다.

새로운 연구에서 베이징 국립 응축 물질 물리학 연구소와 중국 과학 아카데미 물리학 연구소의 Gang-Qin Liu가 이끄는 팀은 다이아몬드 모루 셀로 알려진 미세한 고압 챔버를 만드는 것으로 시작했습니다. NV 센터의 앙상블을 포함하는 마이크로 다이아몬드로 구성된 센서를 배치합니다. 이러한 유형의 센서는 먼저 레이저(이 경우 파장 532nm)를 사용하여 샘플을 여기시킨 후 마이크로파 펄스를 통해 조작하는 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR)이라는 기술 덕분에 작동합니다. 연구진은 고압에 강한 얇은 백금 와이어를 사용하여 마이크로파 펄스를 적용했습니다. 마지막 단계는 방출된 형광을 측정하는 것입니다.

"우리 실험에서 우리는 먼저 다양한 압력 하에서 NV 중심의 광발광을 측정했습니다"라고 Liu는 설명합니다. "우리는 거의 100GPa에서 형광을 관찰했는데, 이는 예상치 못한 결과로 인해 후속 ODMR 측정을 수행하게 되었습니다."

그 결과는 다소 놀라운 것이었지만 Liu는 다이아몬드 격자가 매우 안정적이며 100GPa(1Mbar 또는 해수면에서 지구 대기압의 거의 100만 배)의 압력에서도 상전이를 겪지 않는다고 지적했습니다. 그리고 그러한 높은 압력은 NV 센터의 에너지 수준과 광학적 특성을 변경하지만 더 높은 압력에서는 수정 속도가 느려지므로 형광이 지속됩니다. 그럼에도 불구하고 그는 Mbar 압력에서 ODMR 스펙트럼을 얻는 것이 "쉬운 일이 아니었다"고 Physics World에 말했습니다.

"우리가 극복해야 할 많은 기술적 과제가 있습니다"라고 그는 말합니다. "특히 고압은 NV 형광 신호를 감소시키고 추가적인 배경 형광을 가져온다는 것입니다."

연구자들은 NV 센터의 대규모 앙상블(단일 마이크로 다이아몬드 하나에 ~5 × 105개)을 사용하고 실험 시스템의 빛 수집 효율성을 최적화하여 이러한 문제를 극복했습니다. 하지만 그들의 걱정은 여기서 끝나지 않았습니다. 또한 압력 분포의 불균일성이 OMDR 스펙트럼을 넓히고 신호 대비를 저하시키므로 센서에 대한 큰 압력 구배를 피해야 했습니다.

Liu는 "이 과제를 해결하기 위해 브롬화칼륨(KBr)을 압력 매체로 선택하고 검출 부피를 약 1um3으로 제한했습니다"라고 말했습니다. "우리는 이 접근 방식을 사용하여 거의 140 GPa에서 NV 센터의 ODMR을 얻을 수 있었습니다."

그는 NV 센터의 에너지 수준에 대한 압력에 의한 변형이 예상보다 작은 것으로 밝혀졌기 때문에 최대 압력은 훨씬 더 높을 수 있다고 덧붙였습니다. "이 목표를 달성하기 위한 핵심 과제는 압력 구배가 작거나 없는 높은 압력을 생성하는 것"이라고 Liu는 말합니다. "이것은 압력 전달 매체로 비활성 가스를 사용하여 가능할 수 있습니다."

터널을 찾기 위해 실외에서 사용되는 양자중력경사 센서