제일원리 계산으로 예측한 육각질화붕소에서의 탄소 이합체 점결함의 큐비트 활용 가능성

Abstract

2차원 반데르발스 부도체인 육각 질화붕소(h-BN)는 최근 여러 연구에서 양자 정보 기술에 응용할 수 있는 가능성이 높은 스핀을 가진 양자 점 결함들이 여럿 발견되어 주목을 받고있다. 이전의 실험 결과에 따르면 h-BN은 상온에서 작동되며 전자 스핀을 가지고 있는 점 결함들이 다수 발견되었다. 하지만 아직 육각 질화붕소에서 큐비트로 활용할 수 있는 양자 점 결함은 실험적으로 구현되지 않았다. 본 연구에서는 이러한 상황에 돌파구를 제시하기 위해 제일원리 계산 방법을 통해 실험적으로 시도할 만한 다양한 양자 점 결함의 후보군을 설계하고 제안하였다. 특별히 우리는 탄소 이합체 점 결함(CNCi)이 다이아몬드 질소-공극 중심과 유사한 전자 구조적 특성을 가질 수 있음 밀도범함수 이론을 이용해 보일 것이다. 그 결과, 우리는 CNCi 점 결함이 3A2 바닥 상태와 3E 들뜬 상태를 가지며 또한 1E와 1A 선반 상태가 바닥 상태로부터 0.57 eV, 1.13 eV 위에 존재해 점 결함 기반의 큐비트의 유력한 후보인 다이아몬드 질소-공극 중심과 유사한 전자 구조를 지닌다는 것을 밝힐 수 있었다. 또한 우리는 CNCi 결함을 찾는 후속 연구를 돕기 위해 이 결함이 가지는 여러 분광학적인 성질을 계산했고, 그 중 하나로 영-소리알 선(zero-phonon line, ZPL)은 1.9 eV로 가시광선 영역대의 파장을 가질 것이라 예측하였다. 더 나아가, CNCi의 설계 방식을 적용해 탄소가 아닌 다른 14, 15족 원소로 이루어진 XNXi 결함 역시 S=1의 스핀 삼중항 상태를 안정적으로 가질 수 있음을 밝혀내었다.