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세계 최고 농도의 실온 양자 스핀을 가진 다이아몬드 수정 제작으로 인해 이론적으로 존재가 예측되었던 시간 결정을 실온 측정하는데 성공

2017/03/09


Image by 123dartist/Shutterstock

 쓰쿠바 대학 지적 커뮤니티기반 연구센터 이소야 준이치(磯谷順一) 명예교수, 국립 연구개발 법인 양자과학 기술연구 개발기구 다카사키(高崎) 양자응용 연구소 오노다 시노부(小野田忍) 박사, 스미토모(住友) 전기 공업 주식회사 어드밴스 머티어리얼 연구소 스미야 히토시(角谷均) 박사 연구그룹은 하버드대학(미국), 울름대학(독일), 프린스턴대학(미국), 캘리포니아대학 버클리교(미국) 등과의 공동연구를 통하여 실온에서 이산적 시간 결정의 생성을 실증하는데 성공하였습니다.

 액체를 결정으로 상변화하는 3차원 공간의 병진 대칭성 파괴는 물성 분야에 잘 알려져 있지만, 이에 비해 시간병진 대칭성의 파괴는 그 존재가 이론적으로만 예측되어왔습니다. 본 연구를 통해, 다이아몬드 결정 중 강한 상호작용과 불규칙성을 갖춘 약 100만 개의 양자 전자 스핀 집단을 이용하여 실온에서의 이산적 시간 결정 생성을 관측하는데 성공하였습니다. 이 시료는 본 연구그룹이 개발한 고온 전자선 조사 기술로 제작된 것으로, 다이아몬드 결정 중 NV센터를 평균거리 5 nm라는 세계 최고 농도로 포함하고 있습니다. 이러한 시간 병진 대칭성을 파괴한 이산적 시간 결정이라는 새로운 상으로 비평형 상태의 양자계로 실현 가능한 것은 양자 다체계 다이나믹스제어의 마일스톤이 되는 성과이며, 양자 컴퓨팅의 양자 메모리 및 양자 계측의 고(高)정도화로의 응용도 기대가 되는 바입니다.


 사진 본 연구에서 사용한 다이아몬드 결정
(왼쪽)고압 고온법 다이아몬드 결정:탄소 원자를 변환한 형태인 불순물 질소 원자를 고농도(수백 ppm)로 포함하므로 황색을 띈다.
(가운데)NV센터를 고농도로 포함하는 결정:NV센터는 빛을 강하게 흡수하므로, 고농도에서는 검은색에 가깝다.
(오른쪽)NV센터를 저농도로 포함하는 결정:불순물 질소 농도가 낮은 결정과 저(低)플루엔스 전자선 조사를 사용하였다. 0.05 ppm이라는 저농도임에도 NV센터를 통한 착색이 명료하다.

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