Fraunhofer IAF, NV 다이아몬드 자력계 100% 광학 대비 최초 달성…감도비 590배

NV 센터 자력계의 고질적 딜레마

다이아몬드 내 질소-공위(NV, Nitrogen-Vacancy) 센터 기반 자기장 센서는 상온 동작, 소형화 적합성, 벡터 자기장 측정 기능을 갖춰 고체 양자센서 분야의 선두 기술로 꼽힌다. 최근 기술 발전으로 심장 신호 감지와 직접 관련된 피코테슬라 이하(sub-pT/√Hz) 감도 영역에 진입하는 성과도 보고됐다. 그러나 이 분야는 오랜 기간 구조적 제약을 안고 있었다. 고감도 센서일수록 측정 가능 자기장의 범위인 동적범위가 좁고, 반대로 동적범위가 넓으면 감도가 크게 떨어지는 트레이드오프가 실용화를 가로막았다.

레이저 공진기 속의 NV 센터: 새로운 측정 패러다임

Fraunhofer IAF 연구팀은 이 딜레마를 우회하기 위해 레이저 임계값 자력계(laser threshold magnetometry) 방식을 택했다. 핵심은 NV 센터를 레이저 공진기 안에 광학 소자로 직접 통합하는 것이다. NV 센터는 외부 자기장 세기에 따라 가변하는 손실 채널로 동작하며, 연구팀은 기존처럼 NV 형광 신호를 측정하는 대신 레이저 출력 자체를 판독 수단으로 사용했다. 다이아몬드와 반도체 레이저로 이뤄진 2매질 레이저 구조에서 NV 센터와 공진기 장(場) 사이의 강한 결합이 자기장 변화에 대한 센서 응답을 증폭시킨다.

100% 광학 대비와 400 fT/√Hz 감도

이번 연구의 핵심 성과는 100% 광학 대비를 처음으로 실험적으로 구현한 것이다. 기존 NV 자력계에서 광학 대비는 통상 수 퍼센트에 불과했으나, 레이저 임계값 방식에서는 자기장 변화가 레이저 발진을 완전히 켜고 끄는 방식으로 작동해 완전한 대비가 가능하다. 레이저 출력 파워는 최대 50 mW로, 기존 NV 형광 판독 방식을 크게 웃돈다. 광자 산탄 잡음이 지배적 잡음원인 조건에서는 자기장 벡터의 세 성분 각각에 대해 400 fT/√Hz 이하의 감도를 달성했다. 또한 광학 대비가 100%에 근접할수록 달성 가능한 감도가 선형 이상으로 비약적으로 향상된다는 사실도 처음으로 실험적으로 확인됐다.

590배 개선 성능과 응용 전망

기존 형광 기반 NV 센서 및 증기 셀 자력계와 비교하면, 이 시스템의 감도-동적범위 비율은 최대 590배까지 개선됐으며 벡터 자력계 기능은 그대로 유지됐다. 연구팀이 제시하는 잠재 응용 분야는 심장·근육·뇌의 생체 자기 신호 감지를 위한 의료 진단, 자기장 기반 항법 시스템, 자원 탐사 및 보안 분야의 자기 이상 감지 세 가지다. 양자센싱 그룹장 Jan Jeske 박사는 약 10년 전 NV 센터 기반 자기장 의존 레이저 시스템의 이론 모델을 처음 제시한 연구자로, 이번 연구는 그 이론 예측을 실험으로 검증한 성과다. 현재 감도 수치는 광자 산탄 잡음 지배 조건을 전제로 한 이론 한계치를 포함하고 있어 실제 환경에서의 성능 검증, 공진기-다이아몬드 통합 공정 최적화, 시스템 소형화가 향후 과제로 남아 있다.