다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도의 변화 동시에 감지한다
다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도의 변화 동시에 감지한다
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.03.31 23:20
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자기장과 온도를 정밀측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서. 출처 : 한국표준과학연구원
자기장과 온도를 정밀측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서. 출처 : 한국표준과학연구원

한국표준과학연구원(KRISS)이 자기장과 온도를 정밀 측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발했습니다. 

 

저온이나 자기 차폐 환경이 아닌 일상 환경에서도 동작하고, 자기장과 온도의 미세한 분포를 영상화할 수 있다는 점이 특징인데요. 센서, 반도체, 2차 전지 등 국가 첨단 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

 

순수한 다이아몬드 내부에 양자스핀1을 갖고 있는 ‘질소-빈자리 결함2’을 인위적으로 생성시키면, 다이아몬드는 양자센서의 역할을 하게 된는데요. ‘질소-빈자리 결함’의 양자스핀을 효과적으로 제어하면, 양자컴퓨팅에 필요한 연산을 하거나 미세한 외부 환경 변화를 감지할 수 있습니다.

다이아몬드 양자센서 및 구동 장치 도식. 중심을 기준으로 왼쪽은 다이아몬드 ‘질소-빈자리’ 결함에서 방출된 광자(photon)를 최소한의 손실로 포집하기 위해 설계된 센서의 광학 장치, 오른쪽은 다중센싱을 위한 마이크로파 구동 장치의 구성을 나타내는 그림. 출처 : 한국표준과학연구원
다이아몬드 양자센서 및 구동 장치 도식. 중심을 기준으로 왼쪽은 다이아몬드 ‘질소-빈자리’ 결함에서 방출된 광자(photon)를 최소한의 손실로 포집하기 위해 설계된 센서의 광학 장치, 오른쪽은 다중센싱을 위한 마이크로파 구동 장치의 구성을 나타내는 그림. 출처 : 한국표준과학연구원

고감도의 다이아몬드 양자센서 개발을 위해서는 다이아몬드의 물성이 가장 중요한데요. 연구진은 이를 위해 다양한 조건에서 생성된 다이아몬드를 구매하여 직접 검증했고, 질소의 농도가 일정 수준 이하인 다이아몬드를 선별했습니다. 선별된 다이아몬드로부터 최적의 성능을 이끌어내기 위해 선행 연구 결과보다 개선된 광학, 마이크로파 기술을 도입했습니다. 

 

이번에 개발된 다이아몬드 양자센서는 지구가 만들어 내는 자기장의 약 백만분의 일인 수십 pT(피코테슬라)의 정밀도로 자기장을 측정할 수 있습니다. 또한, 사람 체온의 약 백만분의 일인 수십 μK(마이크로켈빈)의 정밀도로 온도변화를 감지할 수 있습니다. 연구진이 새롭게 개발한 다중센싱 기술을 추가로 사용하면, 하나의 센서로부터 자기장과 온도의 변화를 동시에 감지할 수 있을 것으로 예측됩니다.

 

이번 성과는 자기장과 온도의 변화가 복합적으로 일어나는 대상의 정밀 진단이 필요할 경우, 매우 유용하게 사용될 수 있습니다. 반도체 소자 또는 리튬이온 전지가 대표적 예입니다. 전자나 이온이 이동하면 자기장과 함께 열이 발생하게 되는데요. 외부에서 보이지 않는 배터리 분리막의 손상이나 그로 인한 발열을 조기에 감지할 경우, 대형 사고의 발생을 방지할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

연구의 핵심 기술인 센서는 KRISS 양자자기이미징팀을 주축으로 개발됐으며, 나노포토닉스 분석은 한양대학교 이광걸 교수 연구팀, 이론 분석은 미국 메릴랜드 대학 QTC(Quantum Technology Center) 연구팀과의 협업으로 진행됐습니다.

 

KRISS 양자자기이미징팀 심정현 책임연구원은 “이번 연구를 통해 달성된 다이아몬드 양자센서의 정밀도는 세계적 수준에 근접한 결과”라며, “실용화 목적에 적합한 소형 다이아몬드 양자센서 개발은 후속 연구를 통해 진행할 계획”이라고 밝혔습니다. 

 

KRISS 기관고유사업, 정보통신기획평가원 양자센서핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 저명한 물리학 학술지인 Physical Review Applied에 지난 1월 게재됐습니다.

 

[1] 양자스핀 : 스핀은 전자가 갖는 물리량이다. 스핀을 자석에 비유할 수 있다. 스핀이 위로 똑바로 서 있는 상태를 0, 거꾸로 뒤집혀진 상태를 1로 나타낸다. 양자 역학을 이용하면 스핀의 상태가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 설명할 수 있다.

[2] 질소-빈자리 결함 : 질소는 다이아몬드에서 가장 흔하게 발견되는 불순물이다. 다이아몬드를 구성하는 원소의 대부분인 탄소가 제자리에 위치하지 못하는 경우가 발생할 때, 이 빈자리와 질소가 서로 만나면 ‘질소-빈자리’ 결함이 생성된다.


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