양자 센서 (Quantum Sensor) 편집하기 (부분)

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== 점결함을 이용한 양자 계측의 예시 ==

여러 원자 및 인공원자 시스템 중에서도 고체 내에 있는 점결함(solid-state point defect) 인공원자를 이용한 양자 계측은 고체 시스템 특성상 측정하고자 하는 표적계에 매우 가까이(수 나노미터)에서 표준 온도 압력상에서 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 특히 다이아몬드 내 NV센터(nitrogen-vacancy color center)를 이용한 양자 계측 연구가 활발하게 진행중이며, 이를 이용하여서 높은 민감도의 외부 자기장<ref name=Taylor>J. M. Taylor ''et al.'',High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution, Nature Physics, 4, 810 (2008). doi:[https://doi.org/10.1038/nphys1075 10.1038/nphys1075].</ref>, 전기장<ref name=Dolde>F. Dolde ''et al.'', Electric-field sensing using single diamond spins, Nature Physics, 7, 459 (2011). doi:[https://doi.org/10.1038/nphys1969 10.1038/nphys1969].</ref>, 온도, 압력 측정까지 다양한 물리량을 측정할 수 있다. NV센터는 표준 온도와 압력에서 (i)532nm 레이저를 통해 스핀 바닥 상태(spin ground state)로 초기화 시킬 수 있고, (ii) ~3GHz 대역의 전자기파를 이용하여서 쉽게 양자 상태를 제어할 수 있으며, (iii)상태에 따라 532nm로 들뜨게 하였을 경우 다시 바닥 상태로 돌아올 때 방출되는 637nm 광량의 차이를 측정함으로 양자 상태를 측정할 수 있다.<ref name=Barry></ref> 이를 이용하여서 스커미온(Skyermion)과 같은 고체 물리 시스템의 스핀 패턴 이해<ref name=Dovzhenko> Y. Dovzhenko ''et al.'', Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction, Nature Communications 9, 2712 (2018). doi:[https://doi.org/10.1038/s41467-018-05158-9 10.1038/s41467-018-05158-9].</ref>, 그래핀에서의 전자의 흐름에 대한 직접적인 측정<ref name=Ku> M. J. Ku, Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene, Nature 583, 537 (2020). doi:[https://doi.org/10.1038/s41586-020-2507-2 10.1038/s41586-020-2507-2].</ref> 등과 같은 여러가지 고체 시스템을 이해하기 위한 측정에 응용되고 있다. 심지어 최근에는 NV센터를 이용하여 암흑물질을 측정하려는 시도도 진행되고 있다.<ref name=Rajendran>S. Rajendran, N. Zobrist, A. O. Sushkov, R. L. Walsworth, &amp; M. D. Lukin, A method for directional detection of dark matter using spectroscopy of crystal defects, Physical Review D 96, 035009 (2017). doi:[https://doi.org/10.1103/PhysRevD.96.035009 10.1103/PhysRevD.96.035009].</ref> 가장 활용성이 높을 것으로 기대되는 분야는 NV센터를 이용한 나노단위 핵자기공명(nano-scale nuclear magnetic resonance) 분야이다. 기존의 핵자기공명보다 훨씬 적은 양의 측정샘플로도 신호를 포착할 수 있고, ~수 테슬라 정도의 적은 자기장에서도 핵 구조를 알 수 있는 화학 이동(chemical shift)이 관측이 가능하며, 무엇보다도 샘플 매우 가까이에서 측정이 가능하기 때문에 높은 민감도를 가지고 있다. 최근 양자 메모리<ref name=Zaiser>S. Zaiser ''et al.'', Enhancing quantum sensing sensitivity by a quantum memory, Nature Communications 7, 12279 (2016). doi:[https://doi.org/10.1038/ncomms12279 10.1038/ncomms12279].</ref> 를 이용하거나, 측정 동기화 방식(synchronized readout)<ref name=Glenn>D. R. Glenn, D. B. Bucher, J. Lee, M. D. Lukin, H. Park &amp; R. L. Walsworth, High-resolution magnetic resonance spectroscopy using a solid-state spin sensor, Nature, 555, 351 (2018). doi:[https://doi.org/10.1038/nature25781 10.1038/nature25781].</ref>을 도입하여 핵자기공명 신호 주파수 해상도를 비약적으로 발전시킨 결과가 보고되었으며, 이를 통하여서 하나의 분자와 같은 매우 작은 샘플 크기에서의 핵자기공명 신호를 측정하여 핵구조를 연구하고자 하는 시도가 진행되고 있다. 더 나아가 다이아몬드를 세포 내에 주입시킬 수 있을 정도로 작게 만든 나노 다이아몬드(nano diamond)를 이용하여서 온도에 따른 세포분열에 대한 연구<ref name=Choi>J. Choi ''et al.'', Probing and manipulating embryogenesis via nanoscale thermometry and temperature control, PNAS 117, 14636 (2020). doi:[https://doi.org/10.1073/pnas.1922730117 10.1073/pnas.1922730117].</ref> 와 같은 생체 내(in vivo)에서 여러가지 물리량을 측정함과 동시에 생물학적 특성의 변화에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

[[File:기술백서 전체수정_106.jpg|thumb|400px|(a) 다이아몬드 내 단일 NV센터 색중심과 표면 핵 스핀 샘플에서 발생하는 자기장 측정 모식도 (b) π 펄스가 반복되는 동적 디커플링 스퀀스를 사용하여 핵 스핀 샘플에섭 발생하는 교류 자기장을 측정할 수 있다. π 펄스의 위상을 X,Y로 바꿔주는 XY 스퀀스와 같은 위상이 반복되는 CPMG 시퀀스가 주로 사용된다. (c) 초록색 파동은 외부 교류 자기장을 의미하며 π 펄스 시간 간격이 τ = (2n + 1)Tac/2 조건을 만족했을 때 스핀의 결맞음이 깨어지는 신호가 관측 가능함.|center]]

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