다이아몬드 NV 센터로 실시간 3D 자기장 매핑 구현

• 다이아몬드의 질소-공석(NV) 센터 결함을 이용해 서로 다른 방향의 자기장을 동시에 탐지하는 새로운 도구 개발
• 실시간으로 자기장의 3D 이미지 생성
• 응집물질 물리학, 생물학 등 다양한 분야에 활용 가능

동적 벡터 자기장의 실시간 감지는 자기 항법, 생체 자기장 탐지 및 이미징, 자기 이상 탐지 등 수많은 자력계 응용 분야에서 필요합니다.

스칼라 자력계는 자기장의 크기만 측정할 수 있는 반면, 벡터 투영 자력계는 특정 축을 따라 자기장 투영을 측정할 수 있습니다. 하지만 서로 다른 방향의 자기장을 한 번에 모두 측정하고 싶다면 어떻게 해야 할까요?

최근 하버드 대학의 연구자들은 응집물질 시스템부터 발화하는 뉴런까지 거의 모든 것의 자기장을 감지할 수 있는 도구를 개발했습니다. 이를 위해 다이아몬드의 다양한 점 결함 중 하나인 질소-공석(NV) 센터를 사용합니다. 이는 서로 다른 방향의 자기장을 동시에 탐지할 수 있습니다.

작동 원리

연구자들은 작은 4mm 정사각형 다이아몬드 웨이퍼에 4가지 다른 마이크로파 신호를 적용했습니다. 각 신호는 특정 NV 방향을 측정하도록 구성되었으며, 특수 주파수 변조 패턴에 따라 디더링(저진폭 신호의 왜곡을 줄이기 위해 백색 잡음 추가)되었습니다. 이를 통해 개별 NV 방향이 서로 다른 자기장 방향에서 어떻게 행동하는지 분석할 수 있었습니다.

지금까지는 마이크로파 주파수 간 정기적으로 전환하며 한 번에 단일 NV 방향의 반응을 관찰하는 지루하고 시간 소모적인 과정이었습니다. 새로운 도구는 이전 방법론에 비해 상당한 개선을 나타냅니다.

기존 기술은 발화 뉴런에 의해 생성되는 생체 자기장 같은 빠른 프로세스에는 작동하지 않습니다. 모든 정보를 포착할 수 없지만, 새로운 기술은 다양한 방향의 자기장을 동시에 측정할 수 있습니다.

이 연구에서 연구자들은 자기장이 변동함에 따라 다이아몬드로부터 지속적인 데이터 스트림을 수집했습니다. 새로운 도구는 데이터를 수집하는 것보다 더 빠르게 처리할 수 있어, 연구자들이 자기장의 진폭과 방향을 실시간으로 관찰할 수 있게 합니다.

참조: APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | 하버드 가제트

이 시스템은 다이아몬드의 NV 센터를 이용해 바다벌레의 신경 신호를 식별한 이전 연구를 기반으로 구축되었습니다. 이는 단지 개념 증명일 뿐이었습니다. 효과적인 신경과학 시스템은 포유류의 뉴런과 호환되어야 하지만, 발화 뉴런이 다양한 방향으로 정렬된 자기장을 생성하므로 그러한 시스템을 만드는 것은 상당히 어렵습니다. 그러나 새로 개발된 도구는 뉴런 자기 감지의 이러한 모든 문제를 해결합니다.

왜 질소-공석 센터를 사용했나?

이 작업에서 NV 센터는 다이아몬드 격자에 완벽하게 배열됩니다. 각 NV 센터는 탄소 원자 하나를 질소 원자와 인접한 공석으로 대체하여 생성됩니다. 각 원자는 4개의 다른 원자와 연결되어 있으므로, 4가지 가능한 NV 방향이 있으며, 각각은 해당 방향으로 정렬된 자기장에 민감합니다. 따라서 4종류의 NV 센터를 사용하여 자기장의 방향을 결정할 수 있습니다.

연구진 제공

이 실험에서 연구자들은 다이아몬드 웨이퍼를 실험실에서 생성된 자기장에 놓고 레이저 빛을 투사하여 광물이 빛나게 했습니다. NV 센터가 자기장 변화와 고유한 주파수 변조 패턴에 반응하면 NV 센터의 밝기가 크게 변합니다.

연구자들은 밝기 변화를 추적하여 자기장의 3D 이미지를 생성했습니다. 이제 4가지 NV 방향을 모두 동시에 관찰하고 실시간으로 자기장을 결정할 수 있습니다. 마치 4개의 다른 라디오 채널을 동시에 듣는데 모두 함께 의미가 통하는 것과 같습니다.

참고: 지금까지 생성된 가장 강력한 실내 펄스 자기장

비록 다른 과학자들이 하는 것의 작은 개선이지만, 저자들은 그들의 기술이 응집물질 물리학과 생물학을 포함한 다양한 분야에서 활용될 수 있다고 믿습니다.