| 통신 주파수대 탄화규소 색중심의 실온 스핀 제어 달성 | ||
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  중국과학기술대학교 궈광찬(郭光燦)/리촨펑(李傳鋒)/쉬진스(許金時)/왕쥔펑(王俊峰) 연구팀은 세계 최초로 탄화규소에서 질소-공동(Nitrogen vacancy, NV) 색중심의 실온 코히어런스 조절을 달성함과 아울러 단일 NV 색중심의 제어 가능한 제조 및 광검출 자기공명 스펙트럼의 검출을 달성했다. 통신 주파수대인 해당 색중심의 발광 파장은 양자통신 및 양자 네트워크에 중요한 용도가 있다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재었고 "Manufacturing-friendly SiC boasts quantum credentials at telecom wavelengths"라는 제목으로 미국 Phys.org에 특집기사로 게재됐다. 통신 주파수대 형광 및 제어 가능한 스핀의 고체상태 색중심 시스템은 양자 리피터 및 분포식 양자 컴퓨팅의 주요 플랫폼이다. 탄화규소 색중심 스핀 제어는 최근 새 연구 방향이다. 널리 사용되고 있는 와이드 밴드갭 반도체 재료인 탄화규소는 성숙된 성장/마이크로나노 가공 공법 및 도핑 기술을 보유하고 있고, 또한 결정형이 다양하기에 연구에 제공할 수 있는 색중심 유형이 매우 풍부하다. 뿐만 아니라 동일한 조건에서 탄화규소 색중심 스핀의 코히어런스 시간은 금강석 NV 색중심보다 길다. 탄화규소 색중심 스핀 기반 양자 소자는 광전 집적 및 산업화에 매우 적합하다. 기존에 탄화규소에서 주로 규소 공동 색중심(1개 규소 원자 결실) 및 이중 공동 색중심(규소 원자와 인정한 탄소 원자 결실) 등 스핀 색중심을 연구했는데 이들의 형광 스펙트럼은 근적외선 주파수대역에만 있다. 최근 연구에서 탄화규소에 음전기를 띤 NV 색중심(1개 탄소 원자가 질소 원자에 의해 대체됨과 동시에 인접한 규소 원자 결실)이 존재함과 아울러 해당 형광 스펙트럼이 통신 주파수대역에 있음을 발견했다. 하지만 기존의 연구는 이에 대한 저온 스펙트럼 및 전자 상자성 공명 연구에 제한됐고, 스핀 코히어런스 성질 및 단일 NV 색중심의 제어 가능한 제조에 관한 연구가 부족하다. 연구팀은 주입 조건 및 어닐링 온도 최적화를 통해 탄화규소 NV 색중심 농도의 6배 증강을 달성함으로써 기타 색중심의 간섭을 효과적으로 방지했다. 이를 기반으로, 연구팀은 탄화규소 NV 색중심 앙상블의 실온 광검출 자기공명 스펙트럼의 검출을 달성함과 아울러 코히어런스 시간 T2가 17.1μs에 달하는 실온 스핀 코히어런스 조절을 달성했다. 또한 해당 탈위상 시간 T2*은 주입 선량의 증가에 따라 감소됨을 발견했다. 연구팀은 또한 단일 NV 색중심 어레이의 제조 및 광검출 자기공명 스펙트럼의 검출을 달성했다. 본 실험은 가공 기술이 성숙된 탄화규소 재료의 NV 색중심을 이용한 확장 가능 양자 정보 처리 구현에 중요한 기반을 마련했다. 실온 탄화규소의 NV 색중심에 관한 동 연구는 단일 NV 색중심을 관측 및 입증하였는데 이는 색중심 시스템 연구 분야의 관심을 불러일으킬 전망이다. 타이틀 이미지: (a) 탄화규소 NV 색중심 앙상블의 실온 광검출 자기공명 스펙트럼, (b) 탄화규소 NV 색중심 앙상블의 실온 스핀 에코, (c) 탄화규소 재료의 단일 NV 색중심 어레이형광 이미지 그림, (d) 단일 NV 색중심의 광검출 자기공명 스펙트럼(삽입도는 단일 NV 색중심 발광의 이차 관련 함수, 단일 광자 발광 특성을 제시) 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/GxzdcCV_2J9CS7fw-aIM_Q |
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