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질소-공동 센터

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목차

1. 개요

질소-공동 센터(NV 센터)는 다이아몬드 격자의 점 결함으로, 탄소 원자를 대체하는 질소 원자와 격자 공극의 인접한 쌍으로 구성된다. NV 센터는 중성(NV0)과 음성(NV−)의 두 가지 전하 상태를 가지며, 외부 자기장, 전기장, 온도, 변형에 반응하는 특성으로 인해 양자 센서, 큐비트, 단일 광자 광원 및 양자 계산 소자 등으로 활용될 수 있다. NV 센터는 일반적으로 방사선 조사와 어닐링을 통해 생성되며, 광학적 스핀 조작 및 외부장의 영향을 받아 스핀 상태를 조작할 수 있다. NV 센터에서 나오는 광학 신호의 스펙트럼 형태와 강도는 외부 섭동에 민감하여 온도, 변형, 전기장 및 자기장을 감지하는 데 사용되며, 생체 센싱 및 다양한 응용 분야에 활용된다.

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질소-공동 센터
개요
질소-공극 중심의 구조 모식도. 질소 원자는 다이아몬드 격자에서 탄소 원자 하나를 대체하며, 인접한 격자 위치는 비어 있습니다.
질소-공극 중심의 구조 모식도. 질소 원자는 다이아몬드 격자에서 탄소 원자 하나를 대체하며, 인접한 격자 위치는 비어 있음.
유형점 결함
발견1960년대
구성 요소질소 원자 및 공극
숙주 물질다이아몬드
속성
스핀 상태삼중항
여기 파장532 nm
방출 파장637 nm
제로 필드 분할2.87 GHz
응용 분야
양자 감지자기장 측정
온도 측정
전기장 측정
양자 정보 처리양자 컴퓨팅
양자 암호
양자 통신

2. 구조

질소-공동 센터(NV 센터)는 다이아몬드 격자의 점 결함으로, 탄소 원자를 대체하는 질소 원자와 격자 공극의 인접한 쌍으로 구성된다.[11][12][13][14][15][16][17][95] 질소 원자는 5개의 최외각 전자를 가지며, 그중 3개는 탄소 원자와 공유 결합을 형성하고 나머지 2개는 고립 전자쌍으로 남는다. 공극은 3개의 짝을 이루지 않은 전자를 가지는데, 그중 2개는 준 공유 결합을 형성하고 1개는 짝을 이루지 않은 상태로 남는다. 전체 구조는 축 대칭(삼각 C3V)을 가지며, 세 개의 짝을 이루지 않은 공극 전자가 역할을 교환하는 것으로 시각화할 수 있다.

NV 센터는 중성 NV0와 음성 NV− 두 가지 전하 상태를 가진다.[11] NV0는 1개의 짝을 이루지 않은 전자를 가져 상자성을 띠지만, 전자 상자성 공명 (EPR) 신호는 광 여기가 필요하다.[18] NV0 중심은 페르미 준위를 변경하여 NV−로 변환할 수 있는데, 이는 도핑된 다이아몬드로 만든 p-n 접합에 외부 전압을 가하여 수행할 수 있다.[11]

NV− 상태에서 추가 전자는 공극 위치에 놓여 스핀 S=1 쌍을 형성하며, |3A⟩ 형태의 스핀 삼중항 바닥 상태와 |3E⟩ 형태의 여기 상태를 유도한다.[19] NV0와 마찬가지로 공극 전자는 전체 삼각 대칭성을 유지하며 "역할을 교환"한다.

NV 중심은 다이아몬드 결정 내에서 무작위로 배열되지만, 이온 주입 기술을 통해 특정 위치에 인공적으로 생성할 수 있다.[21] 질소를 포함한 다이아몬드에서는 탄소 원자와 결합하지 않는 나머지 방향에 질소의 고립 전자쌍이 분포하여, 이 방향의 인접부에는 탄소가 들어갈 수 없어 NV 중심 결함이 생긴다.

3. 생성

NV 센터는 일반적으로 단일 치환 질소 센터(C 또는 P1 센터)를 포함하는 다이아몬드에 방사선을 조사하고 700°C 이상에서 어닐링(열처리)하여 생성된다.[12] 방사선 조사에는 전자, 양성자, 중성자, 이온, 감마 광자 등 다양한 고에너지 입자가 사용될 수 있다.[12] 방사선 조사는 NV 센터의 일부인 격자 공극을 생성하는데, 이러한 공극은 실온에서 움직이지 않으므로 이동을 위해 어닐링이 필요하다. 단일 치환 질소는 다이아몬드 격자에 변형을 생성하므로,[22] 이동하는 공극을 효율적으로 포착하여[23] NV 센터를 생성한다.

다이아몬드에서 질소-공동 센터를 생성하려면 여러 단계가 필요할 수 있다.


다이아몬드의 화학 기상 증착 중에, 소량의 단일 치환 질소 불순물(일반적으로 0.5% 미만)이 플라즈마 합성에 의해 생성된 공극을 포획한다. 이러한 질소-공극 센터는 성장 방향으로 우선적으로 정렬된다.[25][26]

다이아몬드는 비교적 큰 격자 변형을 갖는 것으로 알려져 있다. 변형은 개별 센터의 광학 전이를 분할하고 이동시켜 센터 앙상블에서 넓은 선을 만든다.[12][29] 대부분의 실험에 필요한 매우 좁은 NV 선(선폭 ~10MHz)을 생성하기 위해[30] 고품질, 순수 천연 또는 더 나은 합성 다이아몬드(IIa형)가 선택된다. 그들 중 많은 수가 이미 충분한 농도의 성장된 NV 센터를 가지고 있으며 응용 분야에 적합하다. 그렇지 않은 경우 고에너지 입자로 조사하고 어닐링한다. 특정 방사선 조사량의 선택을 통해 개별 NV 센터가 마이크로미터 크기의 거리에 의해 분리되도록 생성된 NV 센터의 농도를 조정할 수 있다. 그런 다음 개별 NV 센터는 표준 광학 현미경 또는 더 나은 서브마이크로미터 해상도를 가진 근접장 주사 광학 현미경으로 연구할 수 있다.[95][31]

4. 에너지 준위 구조

NV 센터는 바닥 상태 삼중항(3A), 들뜬 상태 삼중항(3E), 그리고 두 개의 중간 상태 단일항(1A 및 1E)을 가진다.[35][36][37] 3A와 3E는 모두 전자 스핀이 정렬된(ms = +1 또는 ms = -1) ms = ±1 스핀 상태와, 전자 스핀이 반평행한 ms = 0 스핀 상태를 포함한다. 자기 상호 작용으로 인해 ms = ±1 상태의 에너지는 ms = 0 상태의 에너지보다 높다. 1A와 1E는 각각 ms = 0을 갖는 스핀 상태 단일항만을 포함한다.

NV 센터의 결함 축(질소 원자와 빈 공간과 정렬되는 축)을 따라 외부 자기장이 가해지면 ms = 0 상태에는 영향을 미치지 않지만, ''m''s = ±1 레벨을 분리한다 (제만 효과).

이러한 에너지 구조[41]는 다이아몬드 또는 기타 반도체의 결함에 대해 예외적인 것이 아니다.[42] NV 센터가 큐비트와 양자 센서로 사용되는 것은 이 구조 자체뿐만 아니라 여러 가지 유리한 요인(이전 지식, 쉬운 생산, 생체 적합성, 간단한 초기화, 실온에서의 사용 등)의 조합 덕분이다.

일반적으로 양자 상태는 매우 깨지기 쉽지만, 다이아몬드의 경우에는 결합이 강하고 단단하며 밴드갭이 넓어 수백 ℃ 이상의 높은 에너지를 가해도 전자를 방출하지 않는다. 이는 스핀의 안정에 도움이 된다. 스핀의 양자 정보를 파괴하는 원인으로는 결정 구조의 변형되기 쉬움을 나타내는 지표인 "탄성 계수"와, 다른 불순물이나 결함이 가진 스핀의 존재 등이 있지만, 다이아몬드는 단단하고, 또한 불순물이나 결함에 대해서는 탄소라는 1종류의 원소로 만들어져 있어서, 최근 합성 기술이 진보함에 따라 불순물이나 결함의 영향을 제거하기 쉬워, 스핀이 가진 양자 정보를 실온에서 오랫동안 유지시키는 데 기여하고 있으며 충분히 오랫동안 양자 특유의 "중첩 상태"를 유지할 수 있다. 현시점에서는 실온에서 한 개의 스핀을 조작하거나, 검출하거나, 관측할 수 있는 것은, 다이아몬드 중의 NV 중심뿐이라고 여겨진다.[97]

5. 광학적 성질

NV 센터는 가시 녹색광(3A →3E 전이)으로 비공진적으로 여기되면 밝은 적색광(3E→3A 전이)을 방출한다.[43] 이는 아르곤 또는 크립톤 레이저, 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저, 염료 레이저, 또는 He-Ne 레이저와 같은 편리한 광원으로 수행할 수 있다. 또한 영 포논 방출보다 낮은 에너지에서 여기를 수행할 수도 있다.[43]

여기 상태에서의 완화 시간이 짧기 때문에(약 10 ns),[44][45] 여기 후 거의 즉시 방출이 일어난다. 실온에서 NV 센터의 광학 스펙트럼은 열적 넓어짐으로 인해 날카로운 피크를 나타내지 않는다. 그러나 NV 센터를 액체 질소 또는 액체 헬륨으로 냉각하면 선이 몇 MHz 너비로 극적으로 좁아진다. 저온에서는 영-포논선(ZPL)을 특별히 처리하는 것도 가능하다.

개별 NV 센터에서 나오는 발광의 중요한 특성은 높은 시간적 안정성이다. 많은 단일 분자 방출기가 106–108 광자를 방출한 후 탈색(즉, 전하 상태가 변경되고 어두워짐)되는 반면, 실온에서 NV 센터의 탈색은 거의 일어나지 않는다.[46][31] 그러나 강한 레이저 조명은 일부 NV−를 NV0 센터로 변환할 수도 있다.[14]

이러한 특성으로 인해 NV 센터를 처리하는 이상적인 기술은 실온과 저온 모두에서 공초점 현미경이다.

6. 상태 조작

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==== 광학적 스핀 조작 ====

광학적 전이는 전체 스핀을 보존해야 하며, 동일한 전체 스핀을 가진 준위 사이에서만 발생한다.[51] 구체적으로, 바닥 상태와 들뜬 상태(스핀이 같음) 사이의 전이는 파장이 546 nm인 녹색 레이저를 사용하여 유도할 수 있다. 3E와 1A 사이의 비방사 전이의 중요한 특징은 ms = ±1에서 더 강하고 ms = 0에서 더 약하다는 것이다.

ms = 0인 바닥 상태의 NV 중심은 스핀 보존으로 인해 ms = 0에 해당하는 여기 상태로 여기된 후 원래 상태로 다시 붕괴된다. 반면 ms = ±1인 바닥 상태는 여기 후, 비방사 전이[52][53]에 의해 중간 상태 1A로 붕괴되고, 더 나아가 ms = 0인 바닥 상태로 붕괴될 확률이 상대적으로 높다. 여러 사이클이 지난 후, NV 중심의 상태는 결국 ms = 0 바닥 상태가 된다. 이러한 과정은 스핀 편광이라고 하며, 녹색 레이저 펄스를 사용하여 수행할 수 있다. 이 프로세스는 큐비트의 양자 상태를 양자 정보 처리 또는 양자 감지를 위해 초기화하는 데 사용될 수 있다.

==== 외부장의 영향 ====

마이크로파를 사용하여 ''m''s = 0 상태와 ''m''s = ±1 상태 간의 전이를 유도하고, 스핀 상태를 조작할 수 있다.[55][56][57][58][59] 정교하게 설계된 마이크로파 펄스를 통해 스핀 에코, 라비 진동 등 다양한 동적 효과를 활용할 수 있으며,[55][56][57][58][59] 이는 양자 컴퓨터 구현에 중요하다.[60][61]

외부 자기장은 제만 효과를 통해 ''m''s = +1 상태와 ''m''s = -1 상태를 분리한다.[34] 특정 자기장 값(1027 G 또는 508 G)에서는 바닥 상태 또는 들뜬 상태에서 ''m''s = –1 및 ''m''s = 0 상태의 에너지가 같아지는 에너지 준위 반교차(level anti-crossing)가 발생하고, 이는 스핀 편광을 유발한다.[34]

외부 전기장과 변형은 발광선의 강도와 위치를 조절한다.[38][39][67] 주변 핵 스핀과의 초미세 상호 작용, NV 센터 자체의 스핀-궤도 상호 작용 등도 에너지 준위 분열에 영향을 미친다. 이러한 모든 효과는 측정 가능하기에, NV 센터는 양자 센서로 활용될수 있다.[61]

==== 전하 상태 조작 ====

NV 중심의 전하 상태(NV−, NV+, NV0)는 게이트 전압을 가하여 전환할 수 있다.[68] 게이트 전압은 다이아몬드 표면의 페르미 준위를 전기적으로 이동시키고 표면 밴드 휨을 변경한다. 게이트 전압을 변화시키면 개별 중심이 비형광 상태에서 중성 전하 상태인 NV0으로 전환될 수 있으며, 중심 앙상블은 NV0에서 큐비트 상태 NV−로 전환될 수 있다. 다이아몬드 표면 종결은 표면 근처 NV 중심의 전하 상태에 영향을 미치는데, 산소 종결은 표면 전도도를 줄이고 밴드 휨을 완화하여 NV− 상태를 안정화시킨다.[69] 이는 전하 상태 안정성과 일관성을 향상시킨다. 질소 종결도 표면 특성에 영향을 미쳐 특정 감지 응용 분야에 맞게 NV 중심을 최적화할 수 있다.

광학 여기 방법으로 특정 파장의 빛을 조사하면 전하 상태 간의 전이가 유도될 수 있다. 1064nm의 근적외선은 NV0을 NV−로 변환하여 광발광을 향상시킨다.[70]

6. 1. 광학적 스핀 조작



광학적 전이는 전체 스핀을 보존해야 하며, 동일한 전체 스핀을 가진 준위 사이에서만 발생한다.[51] 구체적으로, 바닥 상태와 들뜬 상태(스핀이 같음) 사이의 전이는 파장이 546 nm인 녹색 레이저를 사용하여 유도할 수 있다. 3E와 1A 사이의 비방사 전이의 중요한 특징은 ms = ±1에서 더 강하고 ms = 0에서 더 약하다는 것이다.

ms = 0인 바닥 상태의 NV 중심은 스핀 보존으로 인해 ms = 0에 해당하는 여기 상태로 여기된 후 원래 상태로 다시 붕괴된다. 반면 ms = ±1인 바닥 상태는 여기 후, 비방사 전이[52][53]에 의해 중간 상태 1A로 붕괴되고, 더 나아가 ms = 0인 바닥 상태로 붕괴될 확률이 상대적으로 높다. 여러 사이클이 지난 후, NV 중심의 상태는 결국 ms = 0 바닥 상태가 된다. 이러한 과정은 스핀 편광이라고 하며, 녹색 레이저 펄스를 사용하여 수행할 수 있다. 이 프로세스는 큐비트의 양자 상태를 양자 정보 처리 또는 양자 감지를 위해 초기화하는 데 사용될 수 있다.

6. 2. 외부장의 영향

마이크로파를 사용하여 ''m''s = 0 상태와 ''m''s = ±1 상태 간의 전이를 유도하고, 스핀 상태를 조작할 수 있다.[55][56][57][58][59] 정교하게 설계된 마이크로파 펄스를 통해 스핀 에코, 라비 진동 등 다양한 동적 효과를 활용할 수 있으며,[55][56][57][58][59] 이는 양자 컴퓨터 구현에 중요하다.[60][61]

외부 자기장은 제만 효과를 통해 ''m''s = +1 상태와 ''m''s = -1 상태를 분리한다.[34] 특정 자기장 값(1027 G 또는 508 G)에서는 바닥 상태 또는 들뜬 상태에서 ''m''s = –1 및 ''m''s = 0 상태의 에너지가 같아지는 에너지 준위 반교차(level anti-crossing)가 발생하고, 이는 스핀 편광을 유발한다.[34]

외부 전기장과 변형은 발광선의 강도와 위치를 조절한다.[38][39][67] 주변 핵 스핀과의 초미세 상호 작용, NV 센터 자체의 스핀-궤도 상호 작용 등도 에너지 준위 분열에 영향을 미친다. 이러한 모든 효과는 측정 가능하기에, NV 센터는 양자 센서로 활용될수 있다.[61]

6. 3. 전하 상태 조작

NV 중심의 전하 상태(NV−, NV+, NV0)는 게이트 전압을 가하여 전환할 수 있다.[68] 게이트 전압은 다이아몬드 표면의 페르미 준위를 전기적으로 이동시키고 표면 밴드 휨을 변경한다. 게이트 전압을 변화시키면 개별 중심이 비형광 상태에서 중성 전하 상태인 NV0으로 전환될 수 있으며, 중심 앙상블은 NV0에서 큐비트 상태 NV−로 전환될 수 있다. 다이아몬드 표면 종결은 표면 근처 NV 중심의 전하 상태에 영향을 미치는데, 산소 종결은 표면 전도도를 줄이고 밴드 휨을 완화하여 NV− 상태를 안정화시킨다.[69] 이는 전하 상태 안정성과 일관성을 향상시킨다. 질소 종결도 표면 특성에 영향을 미쳐 특정 감지 응용 분야에 맞게 NV 중심을 최적화할 수 있다.

광학 여기 방법으로 특정 파장의 빛을 조사하면 전하 상태 간의 전이가 유도될 수 있다. 1064nm의 근적외선은 NV0을 NV−로 변환하여 광발광을 향상시킨다.[70]

7. 응용

NV− 센터에서 나오는 광학 신호의 스펙트럼 형태와 강도는 온도, 변형, 전기장 및 자기장과 같은 외부 섭동에 민감하다.[72][73] 그러나 그러한 섭동을 감지하기 위해 스펙트럼 형태를 사용하는 것은 실용적이지 않은데, 이는 NV− 신호를 선명하게 하기 위해 다이아몬드를 극저온으로 냉각해야 하기 때문이다. 보다 현실적인 접근 방식은 발광 강도(선 모양 대신)를 사용하는 것인데, 이 강도는 마이크로파 주파수가 접지 상태 레벨의 분할과 일치하는 다이아몬드에 적용될 때 날카로운 공명을 나타낸다. 결과적으로 광학적으로 감지된 자기 공명 신호는 실온에서도 날카로우며 소형 센서에 사용될 수 있다. 이러한 센서는 100초 평균 후 킬로헤르츠 주파수에서 수 나노테슬라[72] 또는 약 10 V/cm[73]의 전기장을 감지할 수 있다. 이러한 민감도를 통해 NV− 센터에서 수십 나노미터 떨어진 곳에 위치한 단일 전자가 생성하는 자기장 또는 전기장을 감지할 수 있다.

동일한 메커니즘을 사용하여 NV− 센터는 온도 및 열전도율의 고해상도 공간 지도를 측정하기 위해 주사형 열 현미경에 사용되었다(이미지 참조).[71]



NV 센터는 자기장에 민감하기 때문에 공간적으로 변화하는 자기장을 측정하거나 장치 내의 국부 전류를 추론하여 다양한 응축 물질 현상을 연구하기 위해 주사 탐침 측정에 적극적으로 사용되고 있다.[74][75][76][77][78]

NV− 센터의 또 다른 가능한 용도는 결정 벌크에서 전체 기계적 응력 텐서를 측정하는 감지기로 사용되는 것이다. 이 응용 분야에서는 제로 포논 선의 응력 유도 분할과 그 편광 특성이 활용된다.[79] 350 °C까지 작동하는 전자 스핀 의존적 광발광을 사용하는 견고한 주파수 변조 무선 수신기는 극한 조건에서의 사용 가능성을 보여준다.[80]

양자 광학적 응용 외에도 NV− 센터의 발광은 살아있는 세포 내 유체 흐름과 같은 생물학적 과정을 이미징하는 데 적용될 수 있다.[81][82] 이 응용 분야는 다이아몬드 나노 입자의 살아있는 세포와의 양호한 호환성과 NV− 센터에서 나오는 광발광의 유리한 특성(강한 강도, 쉬운 여기 및 감지, 시간적 안정성 등)에 의존한다. 큰 단결정 다이아몬드에 비해 나노 다이아몬드는 저렴하고(그램당 약 1달러) 다양한 공급업체에서 구할 수 있다. NV− 센터는 위에서 설명한 표준 조사 및 어닐링 공정을 사용하여 서브 마이크로미터 입자 크기의 다이아몬드 분말에서 생성된다. 나노 다이아몬드의 비교적 작은 크기로 인해 NV 센터는 중간 에너지 H+ 빔으로 100 nm 이하의 나노 다이아몬드를 조사하여 생성할 수 있다. 이 방법은 필요한 이온 선량과 반응을 줄여 일반 실험실에서 형광 나노 다이아몬드를 대량 생산할 수 있게 한다.[83] 이러한 방법으로 생산된 형광 나노 다이아몬드는 밝고 광안정적이어서 살아있는 세포에서 단일 입자의 장기간 3차원 추적에 탁월하다.[84] 이러한 나노 다이아몬드는 세포에 도입되며, 그 발광은 표준 형광 현미경을 사용하여 모니터링된다.[85]

NV− 센터에서 유도 방출이 시연되었지만, ZPL이 아닌 포논 측대역(즉, 광대역 빛)에서만 얻을 수 있었다. 이를 위해 중심은 ~650 nm보다 긴 파장에서 여기되어야 하는데, 더 높은 에너지 여기는 중심을 이온화시키기 때문이다.[86]

최초의 연속파 실온 메이저가 시연되었다.[87][88] 이 메이저는 532-nm 펌핑된 NV− 센터를 사용했으며, 높은 퍼셀 효과 마이크로파 공동과 4300 G의 외부 자기장을 유지했다. 연속 메이저 진동은 ~9.2 GHz에서 일관된 신호를 생성했다.

NV 센터는 2차 영역에 근접하는 매우 긴 스핀 결맞음 시간을 가질 수 있다.[89] 이는 양자 센싱[90] 및 양자 통신 분야에 유리하다.[91] 이러한 응용 분야에 불리한 점은 NV 센터의 긴 방사 수명(~12 ns[92][93])과 방출 스펙트럼의 강한 포논 측대역이다. 두 문제 모두 NV 센터를 광학 공동에 넣음으로써 해결할 수 있다.[94] NV 중심은 자기장, 전기장, 온도, 변형에 반응하기 때문에 각 특성을 이용하여 실온에서 작동하는 고감도 양자 센서가 된다. 또한, 단일 광자 광원 및 양자 계산 소자로서의 응용도 고려되고 있다.

7. 1. 생체 센싱 (일본어 위키백과 참고)

NV− 센터에서 나오는 광학 신호의 스펙트럼 형태와 강도는 온도, 변형, 전기장 및 자기장과 같은 외부 섭동에 민감하다.[72][73] 이러한 민감도를 통해 NV− 센터에서 수십 나노미터 떨어진 곳에 위치한 단일 전자가 생성하는 자기장 또는 전기장을 감지할 수 있다. 동일한 메커니즘을 사용하여 NV− 센터는 주사형 열 현미경에 사용되어 온도 및 열전도율의 고해상도 공간 지도를 측정한다.[71]

NV 센터는 자기장에 민감하기 때문에 공간적으로 변화하는 자기장을 측정하거나 장치 내의 국부 전류를 추론하여 다양한 응축 물질 현상을 연구하기 위해 주사 탐침 측정에 적극적으로 사용되고 있다.[74][75][76][77][78]

나노 다이아몬드를 측정 대상 내부에 넣는 방법과 NV 중심 자성 현미경처럼 측정 대상 외부에서 계측하는 방법이 존재한다. NV 중심을 갖는 다이아몬드는 490-560 nm의 빛 여기 파장에 대해 적/근적외선(637-800 nm)으로 발광하므로, 대부분의 세포 자가 형광 파장과는 겹치지 않아, 바이오 이미징 용도에 적합하다. NV 중심의 스펙트럼은, 음으로 대전된 결함(NV-)에서는 638 nm에서 제로 포논선(ZPL: zero-phonon line)을 나타내고, 중성 상태에서는 575 nm에서 ZPL을 나타낸다. NV 및 NV-N 중심은 고에너지 조건 하에서 연속적으로 여기해도 광퇴색 또는 명멸하지 않는다.[102]

양자 광학적 응용 외에도, NV− 센터의 발광은 살아있는 세포 내 유체 흐름과 같은 생물학적 과정을 이미징하는 데 적용될 수 있다.[81][82] 이 응용 분야는 다이아몬드 나노 입자의 살아있는 세포와의 양호한 호환성과 NV− 센터에서 나오는 광발광의 유리한 특성(강한 강도, 쉬운 여기 및 감지, 시간적 안정성 등)에 의존한다. 이러한 나노 다이아몬드는 세포에 도입되며, 그 발광은 표준 형광 현미경을 사용하여 모니터링된다.[85]

7. 2. 기타 응용 (일본어 위키백과 참고)

NV− 센터에서 나오는 광학 신호의 스펙트럼 형태와 강도는 온도, 변형, 전기장 및 자기장과 같은 외부 섭동에 민감하다.[72][73] 이러한 민감도를 통해 NV− 센터에서 수십 나노미터 떨어진 곳에 위치한 단일 전자가 생성하는 자기장 또는 전기장을 감지할 수 있다. 동일한 메커니즘을 사용하여 NV− 센터는 온도 및 열전도율의 고해상도 공간 지도를 측정하기 위해 주사형 열 현미경에 사용되었다.[71]

[[File:https://cdn.onul.works/wiki/source/1952f00c241_49136b04.jpg|thumb|upright=1.4|NV 센터를 사용한 주사형 열 현미경

(a) 실험 장치 개략도.

(b) 세 온도에서의 NV 센터의 ODMR 스펙트럼.

(c) 열전도율 이미지.

(d) 다이아몬드 나노 결정이 밝은 점으로 나타나는 AFM 캔틸레버 끝과 팁의 PL 이미지. (e) d에서 NV 센터의 확대 PL 이미지.]]

NV 센터는 자기장에 민감하기 때문에 공간적으로 변화하는 자기장을 측정하거나 장치 내의 국부 전류를 추론하여 다양한 응축 물질 현상을 연구하기 위해 주사 탐침 측정에 적극적으로 사용되고 있다.[74][75][76][77][78] NV− 센터의 또 다른 가능한 용도는 결정 벌크에서 전체 기계적 응력 텐서를 측정하는 감지기로 사용되는 것이다.[79] 350 °C까지 작동하는 전자 스핀 의존적 광발광을 사용하는 견고한 주파수 변조 무선 수신기는 극한 조건에서의 사용 가능성을 보여준다.[80]

양자 광학적 응용 외에도 NV− 센터의 발광은 살아있는 세포 내 유체 흐름과 같은 생물학적 과정을 이미징하는 데 적용될 수 있다.[81][82] NV− 센터는 유도 방출이 시연되었지만, ZPL이 아닌 포논 측대역(즉, 광대역 빛)에서만 얻을 수 있었다.[86]

최초의 연속파 실온 메이저가 시연되었다.[87][88] NV 센터는 2차 영역에 근접하는 매우 긴 스핀 결맞음 시간을 가질 수 있다.[89] 이는 양자 센싱[90] 및 양자 통신 분야에 유리하다.[91]

이러한 방식으로 NV 센터는 양자 연산, 양자 메모리, 자장 측정, 온도 측정, 전장 측정, 변형률 측정, 핵자기 공명 측정 등에 활용될 수 있다.

8. 역사적 고찰

NV- 중심 앙상블의 미세 모델과 대부분의 광학적 특성은 1970년대에 단축 응력[12]과 전자 상자성 공명(EPR)[15][16]을 결합한 광학적 측정에 기반하여 확립되었다. 그러나 EPR 결과의 작은 오류로 인해 에너지 레벨 구조에서 잘못된 다중도 할당이 발생했다. 1991년에 EPR은 조명 없이 관찰될 수 있음이 밝혀졌으며,[17] 이는 에너지 레벨 체계를 확립했다.

단일 NV- 중심의 특성화는 경쟁적인 분야가 되었으며, 1997년에는 단일 NV- 중심의 형광은 실온 형광 현미경으로 감지할 수 있으며 결함은 완벽한 광안정성을 보인다는 것을 입증했다.[95] 또한 실온에서 광학적으로 감지된 자기 공명이 입증되었다.

참조

[1] 논문 Room-temperature manipulation and decoherence of a single spin in diamond https://link.aps.org[...] 2006-10-26
[2] 논문 Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond https://www.nature.c[...] 2008-10
[3] 논문 Electric-field sensing using single diamond spins 2011-06
[4] 논문 Nanometre-scale thermometry in a living cell 2013-08
[5] 논문 Properties of nitrogen-vacancy centers in diamond: the group theoretic approach https://iopscience.i[...] 2011-02-28
[6] 논문 Quantum sensing 2017-07-25
[7] 논문 Quantum diamond sensors https://www.nature.c[...] 2021-03-25
[8] 논문 Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres https://www.nature.c[...] 2013-05
[9] 논문 Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system 2017-03
[10] 논문 Quantum Spintronics: Engineering and Manipulating Atom-Like Spins in Semiconductors https://www.science.[...] 2013-03-08
[11] 논문 Active charge state control of single N-V centres in diamond by in-plane Al-Schottky junctions
[12] 논문 Optical Studies of the 1.945 eV Vibronic Band in Diamond 1976
[13] 논문 Change of absorption spectra in type-Ib diamond with heavy neutron irradiation
[14] 논문 Photochromism of vacancy-related centres in diamond http://pubman.nims.g[...] 2013-03-04
[15] 논문 Electron Spin Resonance in Annealed Type 1b Diamond 1977
[16] 논문 Electron spin resonance in the study of diamond 1978
[17] 논문 Spin dynamics and electronic states of N-V centers in diamond by EPR and four-wave-mixing spectroscopy 1991
[18] 논문 Electron paramagnetic resonance studies of the neutral nitrogen vacancy in diamond https://pure.qub.ac.[...] 2008
[19] 논문 Recent developments of quantum sensing under pressurized environment using the nitrogen vacancy (NV) center in diamond https://pubs.aip.org[...] 2021-06-28
[20] 논문 Metastable Dark States Enable Ground State Depletion Microscopy of Nitrogen Vacancy Centers in Diamond with Diffraction-Unlimited Resolution https://pubs.acs.org[...] 2010-08-11
[21] 논문 Diamond Age of Spintronics 2007
[22] 논문 On the Dilatation of Synthetic Type Ib Diamond by Substitutional Nitrogen Impurity 1991
[23] 논문 Trapping of vacancies by defects in diamond https://www.research[...]
[24] 논문 Colour centre generation in diamond for quantum technologies 2019-11-01
[25] 논문 Production of oriented nitrogen-vacancy color centers in synthetic diamond
[26] 논문 Enhanced metrology using preferential orientation of nitrogen-vacancy centers in diamond https://link.aps.org[...] 2012-09-06
[27] 논문 Two-dimensional spin systems in PECVD-grown diamond with tunable density and long coherence for enhanced quantum sensing and simulation https://doi.org/10.1[...] 2023-02-01
[28] 논문 Probing many-body dynamics in a two-dimensional dipolar spin ensemble 2023-06
[29] 서적 Quantum Information Processing with Diamond https://linkinghub.e[...] Elsevier 2014
[30] 논문 Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond 2006
[31] 논문 Diamond colour centres as a nanoscopic light source for scanning near-field optical microscopy 2001
[32] 논문 Electron Spin Resonance in Annealed Type 1b Diamond 1977
[33] 논문 Electron spin resonance in the study of diamond 1978
[34] 논문 Excited-State Spectroscopy Using Single Spin Manipulation in Diamond 2008
[35] 문서
[36] 논문 Nitrogen-vacancy center in diamond: Model of the electronic structure and associated dynamics 2006-09-21
[37] 논문 Ab initio theory of the nitrogen-vacancy center in diamond 2019-11-01
[38] 논문 Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond 2006
[39] 논문 Spin-flip and spin-conserving optical transitions of the nitrogen-vacancy centre in diamond 2008
[40] 논문 Coherent Population Trapping of Single Spins in Diamond under Optical Excitation 2006
[41] 문서
[42] 논문 Enhanced single-photon emission in the near infrared from a diamond color center https://rmit-researc[...] 2009
[43] 논문 Sub-threshold excitation of luminescene of defects in diamonds 2005
[44] 논문 Luminescence decay time of the 1.945 eV centre in type Ib diamond 1983
[45] 논문 Measurement of decay time for the NV centre in Ib diamond with a picosecond laser pulse 1997
[46] 논문 Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers http://sites.fas.har[...] 2017-03-16
[47] 논문 Quantum computing with defects 2013-10-01
[48] 논문 Singlet levels of the NV − centre in diamond 2015-01-01
[49] 논문 Infrared emission of the NV centre in diamond: Zeeman and uniaxial stress studies 2008
[50] 논문 The nitrogen-vacancy colour centre in diamond https://linkinghub.e[...] 2013-07
[51] 논문 The nitrogen-vacancy colour centre in diamond 2013-07-01
[52] 문서
[53] 논문 Mechanism for optical initialization of spin in NV 2012-01-01
[54] 논문 Spin dynamics in the optical cycle of single nitrogen-vacancy centres in diamond 2011-01-01
[55] 논문 Room-temperature manipulation and decoherence of a single spin in diamond https://qutech.nl/wp[...] 2006
[56] 논문 Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond http://www.its.calte[...] 2007
[57] 논문 Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond 2006
[58] 논문 Temporal Coherence of Photons Emitted by Single Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Using Optical Rabi-Oscillations https://www.physik.u[...] 2008
[59] 논문 Observation of Coherent Oscillations in a Single Electron Spin http://capem.buffalo[...] 2004
[60] 논문 Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond 2008-10
[61] 논문 Quantum sensing 2017-07-25
[62] 논문 Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register 2014-02
[63] 논문 Continuous dynamical decoupling of a single diamond nitrogen-vacancy center spin with a mechanical resonator 2015-12-14
[64] 논문 Broadband, large-area microwave antenna for optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond 2016-05-01
[65] 논문 All-optical nuclear quantum sensing using nitrogen-vacancy centers in diamond https://www.nature.c[...] 2023-06-10
[66] 논문 Robust optical readout and characterization of nuclear spin transitions in nitrogen-vacancy ensembles in diamond http://dx.doi.org/10[...] 2020-04-28
[67] 논문 Strain Coupling of a Nitrogen-Vacancy Center Spin to a Diamond Mechanical Oscillator https://link.aps.org[...] 2014-07-10
[68] 논문 Charge state manipulation of qubits in diamond 2012
[69] 논문 Controlled Surface Modification to Revive Shallow NV – Centers https://pubs.acs.org[...] 2023-04-12
[70] 논문 Charge state dynamics of the nitrogen vacancy center in diamond under 1064-nm laser excitation https://link.aps.org[...] 2016-07-05
[71] 논문 Imaging thermal conductivity with nanoscale resolution using a scanning spin probe
[72] 논문 Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond http://zumbuhllab.un[...] 2015-08-29
[73] 논문 Electric-field sensing using single diamond spins
[74] 논문 Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction 2018-07-13
[75] 논문 Imaging the Breakdown of Ohmic Transport in Graphene 2022-08-17
[76] 논문 Scanning nitrogen-vacancy magnetometry down to 350 mK https://doi.org/10.1[...] 2022-05-30
[77] 논문 Multiangle Reconstruction of Domain Morphology with All-Optical Diamond Magnetometry https://link.aps.org[...] 2021-07-22
[78] 논문 Scanning diamond NV center probes compatible with conventional AFM technology https://doi.org/10.1[...] 2017-10-16
[79] 논문 Measurement of the full stress tensor in a crystal using photoluminescence from point defects: The example of nitrogen vacancy centers in diamond https://pure.qub.ac.[...]
[80] 논문 Diamond Radio Receiver: Nitrogen-Vacancy Centers as Fluorescent Transducers of Microwave Signals 2016-12-15
[81] 논문 Mass production and dynamic imaging of fluorescent nanodiamonds http://aao.sinica.ed[...] 2013-03-04
[82] 논문 Beauty beyond the Eye: Color Centers in Diamond Particles for Imaging and Quantum Sensing Applications https://doi.org/10.1[...] 2022-03-01
[83] 서적 Fluorescent Nanodiamonds Wiley 2018-11-12
[84] 논문 Mass Production and Dynamic Imaging of Fluorescent Nanodiamonds 2008-05
[85] 논문 Diamond photonics
[86] 논문 Stimulated emission from nitrogen-vacancy centres in diamond
[87] 논문 Continuous-wave room-temperature diamond maser 2018-03-21
[88] 논문 A diamond age of masers 2018-03-22
[89] 논문 Solid-state electronic spin coherence time approaching one second
[90] 논문 Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor
[91] 논문 Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres
[92] 논문 Material platforms for spin-based photonic quantum technologies
[93] 논문 Determining the internal quantum efficiency of shallow-implanted nitrogen-vacancy defects in bulk diamond https://backend.orbi[...]
[94] 논문 Coupling of a Single Nitrogen-Vacancy Center in Diamond to a Fiber-Based Microcavity
[95] 논문 Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers http://sites.fas.har[...] 2017-03-16
[96] 웹사이트 ナノダイヤモンドを用いた空間・温度分解能の高い温度計 https://srad.jp/~pha[...] 2013-08-02
[97] 웹사이트 ようこそ量子 - 量子情報の最先端をつたえる http://www.ryosi.com[...]
[98] 웹사이트 蛍光ナノダイヤモンド http://www.sigmaaldr[...]
[99] 웹사이트 Nitrogen Vacancy Center Magnetometry https://pines.berkel[...]
[100] 논문 "Nitrogen-vacancy centers in diamond: nanoscale sensors for physics and biology."
[101] 논문 The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. https://arxiv.org/pd[...]
[102] 논문 Mass production and dynamic imaging of fluorescent nanodiamonds.


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