다이아몬드 기반 단일광자광원 효율 개선을 위한 공진기 특성에 대한 연구

Abstract

본 논문은 다이아몬드 내 존재하는 결함으로부터 나오는 빛을 양자광원으로 사용하기 위한 연구에 대한 것이다. 국제적으로 다이아몬드 내 질소결함 (Nitrogen-Vacancy center(NV 센터)), 실리콘결함(Silicon-Vacancy(SiV 센터)) 기반 단일광자 생성 등 양자정보 연구가 시작되는 단계이며, 국내에는 관련 연구가 전무하여, 선도적인 연구를 통해 국내외 연구를 주도할 수 있다. 다이아몬드 결함에서의 양자상태제어와 이를 통한 단일광자측정 연구를 통해 초소형 원자시계, 나노스케일의 MRI와 같은 실용적인 응용분야부터 양자컴퓨터용 큐빗, 상온 양자메모리 등 기초 연구로 발전할 수 있다. 다이아몬드 결함을 이용한 단일광자 연구를 위해 2차 원형 격자 구조의 설계 및 공정부터 공초점 현미경이라는 측정 시스템 구축까지 일련의 연구 플랫폼을 완성시켰다. metallic mirror를 더한 2차 원형 격자 구조를 FDTD 시뮬레이션으로 최적의 결과값을 도출하였다. 결과값을 토대로 반복된 공정을 통해 수 나노의 오차를 지닌 공진기를 제작하였다. 이를 측정하고 특성 평가하기 위해서는 정밀한 측정 시스템인 공초점 현미경이 필요하였고, 스캐닝이 가능한 공초점 현미경을 구축하는데 성공하였다. 모든 하드웨어를 전기적으로 동작시키는 FPGA와 labview 프로그래밍을 통해 다이아몬드 결함의 위치 파악은 물론이며, count rate과 스펙트럼 측정이 가능하였다. 또한 CCD의 추가로 입사시키는 광의 위치와 시편의 위치를 직접 보면서 스캐닝 하고자 하는 위치를 찾는 시간을 단축하였고, 공초점 현미경의 정확성을 한 단계 더 높였다. 공초점 현미경을 통해 공진기가 727nm에서 공진하는 것을 확인하였고, 가지고 있는 SiV 나노다이아몬드의 ZPL도 724nm, 740nm, 756nm 이렇게 크게 세 그룹으로 분류되는 것을 확인하였다. 공진기의 공명 파장대와 SiV의 ZPL이 서로 일치하지 않아 공진되는 효과를 볼 수는 없었지만 서로 일치했다면 반드시 count rate의 증가가 있었을 것이다. 수 나노의 공정 오차에도 공명 파장대가 쉽게 이동하는 것을 시뮬레이션 결과로 밝혀내어 공명 파장대의 설계값 불일치의 원인을 찾아내었다. 정밀한 측정 시스템 구축으로 이러한 특성 분석이 가능하게 된 것이며, 추후 수많은 반복 공정 여건이 된다면 고효율 양자광원 생성에 성공할 수 있을 것이다.