다이아몬드의 새로운 용도 (5) "양자물질로서의 역할"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-27 11:42:22
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- 결정 격자의 개별 외부 원자가 조사(照射)로 들뜨면 양자 상태 변경하고 광자 방출
- 다이아몬드는 약 영하 200도까지 극도로 냉각되는 반도체 실리콘처럼 행동
- 하버드 대학교, 다이아몬드의 큐비트를 1초 이상 안정적으로 유지하는 데 처음으로 성공
- 전기장과 자기장에 반응해 양자 센서 역할, 기존 센서에 비해 측정 감도 10~200배 높여

양자 물질로서의 다이아몬드

양자 비트 및 센서로서의 격자 결함

다이아몬드의 탄소 격자에 이물질과 결함이 포함돼 있으면 보석에 특별한 색상과 광학적 특성을 부여할 뿐만 아니라, 결정을 양자 물리학 및 양자 통신을 위한 유망한 재료로 만든다. 

▲ 조밀하고 단단한 다이아몬드 그리드는 약간의 진동만 허용한다. © RosarioVanTulpe / CC-by-sa 3.0

최소 격자 진동

다이아몬드를 매력적인 양자 행위자로 만드는 한 가지 속성은 가장 작은 규모에서도 강성과 열적 ‘평온함’이다. 결정 격자의 개별 외부 원자가 조사(照射)에 의해 들뜨면 양자 상태를 변경하고 잠시 후 반응해 광자를 방출한다. 대부분의 다른 재료와 달리 에너지 흡수는 주변 그리드에서 진동을 거의 유발하지 않는다. 다이아몬드는 약 영하 200도까지 극도로 냉각되는 반도체 실리콘처럼 행동한다.

슈투트가르트 대학의 물리학자들은 "다이아몬드를 상온 양자 물질로 말할 수 있다"고 설명했다. Google의 "Sycamore"와 같은 오늘날의 양자 컴퓨터나 IBM의 양자 컴퓨터는 대부분 초저온 초전도체를 양자비트의 기반으로 사용한다. 강력한 냉각은 열 진동을 방지하여 큐비트의 민감한 중첩 상태를 간섭으로부터 보호하기 위한 것이다.

다이아몬드에서는 이러한 냉각이 필요하지 않다.
격자의 특수한 양자 물리적 조건은 격자의 개별 지점에서의 변화가 나머지 환경과 크게 격리되고 차폐되도록 한다. 동시에, 결함의 스핀 변화를 쉽게 국지화하고 감지할 수 있다. 이 모든 것이 다이아몬드를 양자 컴퓨터, 양자 메모리 또는 실온에서 작동하는 양자 네트워크의 리피터에 적합한 후보로 만든다.

다이아몬드의 양자비트

하버드 대학의 Peter Maurer가 이끄는 연구팀은 이미 2012년에 상온에서 다이아몬드 격자에서 큐비트가 생성되고 유지될 수 있음을 보여주었다. 녹색 레이저의 도움으로 질소 결핍으로 인한 간섭도 최소화했다.

이 설정으로 연구팀은 실온 다이아몬드의 큐비트를 1초 이상 안정적으로 유지하는 데 처음으로 성공했다. Garching에 있는 Max Planck Institute for Quantum Optics의 David Hunger는 "우리는 비교적 적은 실험 노력으로 거의 천 배에 가깝게 개선했다"고 말했다. “이론에 따르면 큐빗의 수명은 최대 36시간까지 늘릴 수 있다. 현재의 한계는 개선된 기술로 더 늘릴 수 있다.”

2018년 비엔나 공과 대학의 연구 그룹이 시연한 것처럼 다이아몬드를 극도로 낮은 온도로 냉각시키면 큐비트는 이미 격자에 8시간 이상 유지될 수 있다. 그들은 초전도 공진기의 질소 결함이 있는 다이아몬드를 격자 결함의 스핀에 영향을 미치는 마이크로파 필드에 노출시켜 양자 정보를 쓰고 읽을 수 있었다.
▲ 질소 원자의 NV 공석과 다이아몬드 탄소 격자의 인접한 공석. © 비엔나 공과 대학


양자 센서로서의 다이아몬드 팁

바젤 대학(University of Basel)의 패트릭 말레틴스키(Patrick Maletinsky)와 그의 동료들은 2017년 양자 물리학 행위자로서 다이아몬드의 첫 번째 실제 적용을 시연했다. 그들은 원자력 현미경의 끝 부분으로 질소 결함이 있는 특별히 성장된 다이아몬드 결정을 사용했다. 수백 나노미터의 미세한 팁은 그 아래에 있는 물질의 전기장과 자기장에 반응하여 양자 센서 역할을 한다.

"우리는 주로 센서를 사용해 새로운 유형의 재료와 자기 특성을 조사한다"고 Maletinsky는 설명했다. 상온과 극저온 물질 모두에서 사용할 수 있는 다이아몬드 팁은 기존 센서에 비해 측정 감도를 10~200배 높인다고 연구원이 보고했다.

또 다른 장점은 다이아몬드는 생물학적 물질과 상호 작용하지 않기 때문에 이 센서를 사용하여 생물학적 샘플을 부드럽게 검사할 수도 있다. (끝)

[더사이언스플러스 The Science Plus]

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