Deterministic positioning accuracy of B centers in hBN by electron irradiation

차세대 양자 컴퓨터와 보안 통신 네트워크를 구축하려는 여정에서, 과학자들은 빛을 한 번에 하나의 광자 단위로 운반할 수 있는 작고 신뢰할 수 있는 광원을 찾고 있습니다. 상상해 보십시오. 완벽한 정밀도로 켜고 끌 수 있어 양자 데이터를 실어 나르는 매개체 역할을 하는 단일 빛 입자를 말입니다. 이러한 시스템이 작동하게 하려면, 연구자들은 이 빛의 신호를 유도하고 증폭하는 미세한 구조물 내부의 필요한 위치에 이 광원을 정확히 배치해야 합니다. 이 작업에 선택된 재료는 종이 한 장처럼 얇으면서도 믿기지 않을 정도로 강하고 안정적인 결정인 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride)입니다. 이 결정 내부에 과학자들은 독특하고 밝은 빛을 내는 특정 결함(원자 구조의 아주 작은 불완전함)을 만들 수 있습니다. 이러한 결함이 바로 단일 광자 방출기이며, 미래 양자 기술의 필수적인 구성 요소입니다. 그러나 이를 만드는 것만으로는 충분하지 않습니다. 그것들을 매우 정확하게 배치해야 합니다. 만약 광원이 아주 작은 광학 장치 내에서 조금이라도 중심에서 벗어나 있다면, 그 장치는 마치 약간 휘어진 열쇠가 자물쇠를 돌리지 못하는 것처럼 제대로 작동하지 않을 수 있습니다.

프랑스 파리-사클리 대학교(Université Paris-Saclay)의 연구팀은 이 배치 문제를 해결하는 데 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 독특한 푸른 빛을 내는 'B 센터(B center)'라고 알려진 특정 유형의 결함에 집중했습니다. 이러한 결함은 결정에 전자 빔을 쏘는 과정을 통해 기존의 보이지 않는 불완전함을 원하는 빛의 원천으로 변형시킴으로써 요구에 따라 생성될 수 있습니다. 문제는 전자 빔이 빛을 생성할 때 정확히 어디에 있는지 아는 것입니다. 연구진은 이 새로운 광원을 의도한 위치와 비교하여 얼마나 정밀하게 배치할 수 있는지 측정하기 위해 실험을 진행했습니다. 이 방출기들의 격자를 만들고 의도한 목표 지점과 실제 위치 사이의 거리를 측정한 결과, 빛의 원천이 목표 지점으로부터 약 40나노미터 범위 내에 나타나는 매우 높은 정확도를 보였습니다. 이 수준의 정밀도는 현재의 많은 응용 분야에 충분하지만, 팀은 무엇이 이 정확도를 제한하는지, 그리고 어떻게 개선할 수 있는지를 이해하기 위해 더 깊이 파고들었습니다.

이를 달-성하기 위해 과학자들은 초점 전자 빔을 사용하여 물질을 이미지화하고 수정하는 강력한 도구인 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) 내부의 정교한 설비를 사용했습니다. 그들은 질화붕소 결정의 얇은 조각을 빔 아래에 배치하고 광원 배열을 만들기 시작했습니다. 전자 빔이 결정을 가로질러 스캔할 때, 연구진은 모니터를 실시간으로 관찰하며 새로운 광원이 나타나는 순간을 포착했습니다. 특정 B 센터의 푸른 빛이 감지되는 즉시 빔은 즉각 멈추고 격자의 다음 지점으로 이동했습니다. 이 방법을 통해 정밀한 개별 광원 패턴을 만들 수 있었습니다. 생성 과정이 완료되면, 그들은 다른 종류의 현미경을 사용하여 이 새로운 광원들의 정확한 위치를 지도화했습니다. 빛이 실제로 나타난 위치의 지도와 연구진이 배치하고자 했던 격자를 비교함으로써, 그들은 위치 지정의 오차를 계산할 수 있었습니다.

분석 결과, 이러한 광원을 배치하는 데 발생하는 총 오차는 약 40나노미터의 표준 편차를 보였습니다. 빛의 원천이 왜 목표 지점에 정확히 떨어지지 않았는지 이해하기 위해, 연구진은 이 오차를 네 가지 뚜렷한 원인으로 나누었습니다. 첫째, 전자 빔이 가리키는 위치를 제어하는 기계 자체의 고유한 정밀도가 있었으며, 이는 약 18나노미터의 불확실성을 기여했습니다. 둘째, 생성된 빛의 원천의 정확한 중심을 찾아내는 데 따르는 어려움이 약 8나노미터의 불확실성을 더했습니다. 셋째, 가장 중요한 요인은 전자 빔과 결정 사이의 물리적 상호작용이었습니다. 빔이 물질에 부딪히면, 에너지는 결정 속을 통과하며 단일 지점에만 영향을 주는 것이 아니라 약간 퍼져나가며 변형이 일어날 수 있는 작은 구역을 형성합니다. 이 확산으로 인해 빛의 원천은 빔의 중심 주변의 작은 영역 내 어디에서나 생성될 수 있었으며, 이는 총 오차에 약 27나노미터를 기여했습니다.

네 번째 요인은 결정 내부에 존재하는 재료와 관련된 우연의 문제입니다. B 센터를 만들기 위해서는 전자 빔이 기존의 불완전함, 즉 탄소 원자 쌍을 찾아 변형시켜야 합니다. 만약 이 탄소 쌍이 드물다면, 빔은 하나를 변환하기 위해 조금 더 멀리 이동해야 하거나 에너지가 더 넓게 퍼져야 할 수도 있으며, 이는 또 다른 무작위성을 더합니다. 연구진은 이러한 재료의 희소성이 위치 지정 오차에 약 23나노미터를 추가한다고 계산했습니다. 이 모든 요인을 수학적으로 결합했을-때, 예측된 총 오차는 실제 측정값과 거의 완벽하게 일치했으며, 이는 그들이 부정확성의 원인을 정확히 식별했음을 확인시켜 주었습니다.

이 연구는 현재의 방식이 이미 상당히 정밀하지만, 이를 더욱 개선할 수 있는 명확한 경로가 있음을 결론짓습니다. 연구진은 결정을 더 얇게 만듦으로써 전자 빔의 에너지 확산을 줄일 수 있고, 결정 성장 과정 중 의도적인 도핑을 통해 탄소 쌍의 수를 늘림으로써 목표를 즉시 찾을 수 있도록 할 수 있다고 제안합니다. 이러한 개선이 이루어진다면, 연구진은 위치 지정 정확도를 10나노미터 미만으로 낮출 수 있을 것으로 추정합니다. 이 정도의 정밀도는 모든 광원이 필요한 곳에 정확히 배치되는 복잡하고 완전히 통합된 양자 광자 칩을 제작할 수 있게 하여, 미래 양자 기술을 위한 이 재료들의 잠재력을 온전히 실현하게 할 것입니다.