Dense pentacene cocrystal demonstrates room-temperature coherent control

우리가 단일 원자의 가장 미세한 자기적 속삭임을 감지하거나, 공기의 숨결보다 작은 온도 변화를 측정할 수 있을 만큼 민감한 센서를 만들 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 양자 센싱의 약속이며, 이 분야는 '스핀'이라 불리는 아주 작은 회전 입자들을 미세한 탐침으로 사용하는 기술에 의존합니다. 이러한 센서가 잘 작동하기 위해서 과학자들은 가능한 한 많은 스핀 입자들을 좁은 공간에 채워 넣어야 합니다. 입자가 많을수록 신호는 더 명확해지기 때문입니다. 하지만 여기에는 고질적인 문제가 있습니다. 입자들을 너무 빽빽하게 채우면 입자들이 서로 부딪히기 시작하여, 그들의 섬세한 스핀을 방해하고 신호를 거의 즉시 사라지게 만든다는 점입니다. 이는 센서의 수를 늘리면 정작 읽어내야 할 품질을 파괴하게 되는 전형적인 트레이드오프(trade-off) 관계입니다.

수년 동안 연구자들은 센서들을 비활성 물질의 바다 속에 소수만 섞어 넣어 서로 떨어뜨려 놓는 방식으로 이 문제를 해결하려 노력해 왔습니다. 이 방법은 효과적이긴 하지만, 신호의 강도를 높이는 데 한계가 있습니다. 최근 한 과학자 팀이 이 규칙을 깨는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 센서들이 이전 기록보다 100배 이상 더 밀도 높게 채워져 있음에도 불구하고, 상온에서 스핀의 결맞음(coherence)과 가독성을 유지할 수 있는 새로운 유형의 결정을 만들어냈습니다. 그들은 센서들을 서로 떨어뜨려 놓는 대신, 서로 간섭하는 것을 막아주는 특정한 패턴으로 정교하게 배열함으로써 이 문제를 해결했습니다.

버클리 대학교 및 기타 기관의 연구진은 펜타센(pentacene)이라는 분자에 집중했습니다. 펜타센은 그 스핀을 빛을 이용해 제어하고 읽을 수 있어 센싱에 매우 탁받지만, 일반적으로 '패킹 문제'를 겪습니다. 펜타센 분자들이 너무 가까이 배치되면, 이들은 에너지를 공유하며 스핀을 혼란스럽게 만들기 시작합니다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 펜타센과 그와 유사한 분자인 6,13-디하이드로펜타센(6,13-dihydropentacene)이라는 두 종류의 서로 다른 분자로 구성된 특수한 결정을 성장시켰습니다. 연구진은 통제된 환경에서 펜타센을 가열하여, 두 분자가 2대 1의 정밀한 비율로 배치되는 바늘 모양의 구조로 변형 및 재조립되도록 유도했습니다.

이 새로운 결정에서 펜타센 분자들은 약 33%의 밀도로 채워져 있는데, 이는 결정 격자 내의 세 칸 중 한 칸이 센서로 채워져 있음을 의미합니다. 이는 다이아몬드나 기존의 도핑된 결정들과 비교했을 때 엄청난 농도입니다. 연구진은 빽빽하게 채워진 분자들 사이의 거리를 측정했는데, 그 간격은 불과 약 4 옹스트롬(Å)에 불과했습니다. 일반적인 설정이라면 이토록 가까운 거리에서는 센서들이 충돌하여 양자 특성을 즉시 잃게 됩니다. 그러나 연구진이 초록색 레이저를 결정에 비추었을 때, 펜타센 분자들은 여전히 뚜렷한 붉은 빛을 내며 빛났고, 무엇보다도 그들의 스핀은 마이크로초 단위로 안정적으로 유지되었습니다.

이처럼 조밀한 패킹이 왜 신호를 파괴하지 않았는지 이해하기 위해, 연구팀은 분자들이 어떻게 상호작용하는지 면밀히 조사했습니다. 그들은 빛에 의해 자극받은 후 분자들이 어떻게 행동하는지 보여주는 고속 카메라와 같은 기술인 과도 전자 상자성 공명(transient electron paramagnetic resonance) 기법을 사용했습니다. 연구 결과, 스핀은 밀집된 그룹에서 흔히 발생하는 혼돈스러운 에너지 전이를 피하는 특정한 질서 있는 방식으로 생성되고 있었습니다. 또한, 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 결정의 에너지 지형을 지도화했습니다. 시뮬레이션 결과, 독특한 기하학적 구조가 일종의 장벽 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 인접한 분자들이 배치된 방식 덕분에 전자 구름이 크게 겹치지 않으며, 한 분자에서 다른 분자로 스핀이 도약하는 데 필요한 에너지가 너무 높다는 것입니다. 이는 스핀을 원래의 분자에 효과적으로 가두어, 신호를 망치는 간섭의 연쇄 반응을 방지합니다.

결과는 일련의 정밀한 측정을 통해 확인되었습니다. 연구팀은 마이크로파 펄스를 사용하여 전체 밀집 그룹의 스핀을 조절하고, 이들이 통제된 리듬에 따라 진동하도록 만들 수 있음을 입증했습니다. 그들은 스핀이 동기화된 상태를 유지하는 시간을 측정하였는데, 약 0s.87 마이크로초를 유지했으며, 노이즈를 제거하는 특수 기술을 사용했을 때는 최대 1.6 마이크로초까지 유지되었습니다. 인간의 관점에서는 짧은 시간이지만, 이 정도로 밀도가 높은 물질에서는 놀라운 성과이며, 훨씬 희박한 시스템들과도 대등한 수준입니다. 또한 연구팀은 결정의 자기장 감지 능력을 측정하여, 아직 최적화되지는 않았으나 개념이 작동함을 증명하는 감도를 추정했습니다.

이 연구는 더 나은 양자 센서를 만드는 열쇠가 단순히 재료 자체에 있는 것이 아니라, 재료가 어떻게 배열되느냐에 달려 있음을 시사합니다. 연구진은 결정 구조를 형성하는 데 도움을 주는 두 번째 분자인 '공형성 물질(coformer)'을 사용함으로써, 높은 밀도와 높은 성능이 공존할 수 있는 환경을 설계해 냈습니다. 결정은 센서들을 간섭 없이 완벽하게 정렬된 상태로 잡아주는 스캐폴드(scaffold, 비계) 역할을 합니다. 이러한 접근 방식은 센서를 단순히 떨어뜨려 놓는 게임이 아니라, 적재적소에 정교하게 배열하는 게임으로 전환함으로써, 양자 센싱의 새로운 클래스인 '높은 밀도와 높은 성능을 동시에 갖춘 재료'를 구축할 수 있는 길을 열어주었습니다. 이는 우리가 사는 세상의 보이지 않는 힘을 측정하기 위한 더 강력하고 소형화된 센서를 향한 유망한 경로를 제시합니다.