재료의 미세한 스핀 밀도 감지 및 제어

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전자 장치는 일반적으로 전자의 전하를 사용하지만 스핀(다른 자유도)이 활용되기 시작했습니다. 스핀 결함은 결정질 재료를 초고감도 양자 센서, 양자 메모리 장치 또는 양자 효과 물리학 시뮬레이션 시스템과 같은 양자 기반 장치에 매우 유용하게 만듭니다. 반도체의 스핀 밀도를 변화시키면 물질의 새로운 특성이 나타날 수 있습니다. 이는 연구자들이 오랫동안 탐구해 왔던 것입니다. 그러나 이 밀도는 일반적으로 일시적이고 포착하기 어렵기 때문에 국부적으로 측정하고 제어하기가 어렵습니다.

이제 MIT와 다른 곳의 연구진은 외부 레이저나 마이크로파 빔을 적용하여 다이아몬드의 스핀 밀도를 조정하고 이를 2배로 변경하는 방법을 발견했습니다. 이번 주 PNAS 저널에 보고된 이 발견은 고급 양자 장치에 대한 많은 새로운 가능성을 열어줄 수 있다고 저자는 말합니다. 이 논문은 MIT의 Paola Cappellaro 교수와 Ju Li 교수의 현재 및 이전 학생과 밀라노 Politecnico의 공동 작업자 간의 공동 작업입니다. 논문의 첫 번째 저자인 Guoqing Wang PhD '23은 Cappellaro 연구실에서 박사 학위 논문을 작성했으며 현재 MIT에서 박사후 연구원으로 일하고 있습니다.

다이아몬드의 질소 공공(NV) 센터로 알려진 특정 유형의 스핀 결함은 다양한 양자 응용 분야에서 잠재적으로 사용할 수 있도록 가장 널리 연구된 시스템 중 하나입니다. NV 센터의 스핀은 물리적, 전기적 또는 광학적 교란에 민감하므로 잠재적으로 매우 민감한 감지기가 됩니다. "고체 스핀 결함은 가장 유망한 양자 플랫폼 중 하나입니다"라고 Wang은 말했습니다. 부분적으로는 주변 온도 조건에서 작동할 수 있기 때문입니다. 다른 많은 양자 시스템에는 초저온 또는 기타 특수 환경이 필요합니다.

"NV 센터의 나노 규모 감지 기능은 스핀 환경에서 역학을 조사하여 아직 이해되지 않은 풍부한 양자 다중 신체 물리학을 나타내는 데 유망합니다"라고 Wang은 덧붙입니다. "P1 센터라고 불리는 환경의 주요 스핀 결함은 일반적으로 NV 센터보다 10~100배 더 많을 수 있으므로 더 강력한 상호 작용을 가질 수 있어 다체 물리학을 연구하는 데 이상적입니다."

그러나 상호 작용을 조정하려면 과학자들은 이전에는 거의 달성되지 않았던 스핀 밀도를 변경할 수 있어야 합니다. Wang은 이 새로운 접근 방식을 통해 “스핀 밀도를 조정할 수 있어 실제로 그러한 시스템을 조정할 수 있는 손잡이를 제공할 수 있습니다. 이것이 바로 우리 작업의 핵심적인 참신함입니다.”

이러한 조정 가능한 시스템은 양자 유체역학을 연구하는 보다 유연한 방법을 제공할 수 있다고 Wang은 말했습니다. 보다 즉각적으로, 새로운 공정은 감도를 향상시키는 방법으로 일부 기존 나노 규모 양자 감지 장치에 적용될 수 있습니다.

MIT 원자력공학부와 재료공학부 공동 연구원인 Li는 오늘날의 컴퓨터와 정보 처리 시스템은 모두 전하 제어 및 감지에 기반을 두고 있지만 일부 혁신적인 장치가 활용되기 시작했다고 설명합니다. 스핀이라는 속성이 있습니다. 예를 들어, 반도체 회사 Intel은 스핀과 전하를 결합하는 새로운 종류의 트랜지스터를 실험해 왔으며 잠재적으로 스핀트로닉스 기반 장치의 길을 열었습니다.

Li는 "기존의 CMOS 트랜지스터는 많은 에너지를 사용합니다"라고 말했습니다. "그러나 이 Intel 설계에서처럼 스핀을 사용하면 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다." 이 회사는 또한 양자 컴퓨팅을 위한 고체 스핀 큐비트 장치를 개발했으며 "스핀은 더 에너지 효율적이고 양자 정보의 전달자이기도 하기 때문에 사람들이 고체에서 제어하고 싶어하는 것입니다."