육각형 질화붕소 스핀 결함, 여기 파장 바꾸면 자기장 감도 3배 향상

왜 hBN인가

고체 스핀 결함 기반 양자센서 분야에서 가장 오래 연구된 소재는 다이아몬드다. 다이아몬드 내 질소공공(NV) 결함은 자기장·전기장·온도·압력 측정 능력을 입증해 왔지만, 3차원 강체 구조로 인해 결함을 측정 대상 표면에 근접시키는 데 물리적 한계가 존재한다. 이에 대한 대안으로 hBN이 주목받고 있다. hBN은 원자 한 층 두께로 박리·적층이 가능한 2차원 소재여서 감지 대상 위에 직접 올릴 수 있다. 최근에는 스핀-1과 스핀-½ 거동을 동시에 보이는 '스핀 복합체(spin complex)'가 hBN에 존재함이 밝혀져, 장(field)의 크기뿐만 아니라 방향까지 측정할 수 있는 플랫폼으로 기대를 모으고 있다.

파장 의존성 실험 결과

연구팀은 동일한 hBN 스핀 결함을 두 가지 여기 파장으로 조사하고 성능을 비교했다. 633 nm 적색광을 사용했을 때 스핀 의존 판독 대비가 약 100%에 달했으며, 이 대비 향상은 직류 자기장 감도의 3배 개선으로 이어졌다. 반면 532 nm 녹색광은 대비가 낮은 대신 발광이 안정적으로 유지됐다. 적색광 조건에서는 발광이 불규칙하게 켜졌다 꺼지는 '깜빡임(blinking)' 현상이 두드러졌는데, 연구팀은 적색광이 결함을 비발광 준안정 상태로 더 효율적으로 전환시킨다는 모델로 이를 설명했다. 깜빡임 증가와 높은 대비는 같은 메커니즘에서 비롯된 것으로 해석됐다.

안정성과 감도 사이의 상충

연구팀은 두 파장을 동시에 조사하는 혼합 여기 실험도 진행했다. 소량의 녹색광을 추가하는 것만으로 적색광이 유발하는 깜빡임을 억제할 수 있었지만, 이 경우 판독 대비는 소폭 낮아졌다. 이는 발광 안정성과 신호 강도 간에 본질적인 상충 관계가 존재함을 의미하며, 실제 센서를 설계할 때 반드시 고려해야 할 요소로 지목됐다. 또한 이 거동은 개별 결함마다 다르게 나타나, 결함 단위의 파장 최적화 가능성도 시사됐다.

향후 응용 가능성

이번 연구는 두 가지 방향을 열어 준다. 첫째, 여기 파장을 세밀하게 조정해 발광 강도와 대비를 동시에 최대화함으로써 자기장 감도를 극대화하는 방향이다. 둘째, 적색광 조건에서 강화되는 깜빡임을 역으로 활용해 광학 현미경의 분해능 한계를 넘는 초해상도 이미징에 적용하는 방향이다. 두 접근 모두 hBN 스핀 결함의 실용화 가능성을 높이는 것으로, 단순한 파장 변경이라는 비교적 간단한 제어 수단이 센서 성능에 미치는 영향이 상당하다는 점에서 의미가 있다.

한계와 과제

현재 계산된 3배 감도 개선은 실험적 측정값이 아닌 이론적 추산에 기반하며, 발광 안정성 저하를 동반한다는 점은 실용적 적용에 앞서 해결해야 할 과제다. 개별 결함마다 최적 파장이 다를 수 있다는 사실은 대면적·균일한 센서 제작 시 추가적인 공정 복잡성을 초래할 수 있다. hBN 스핀 복합체의 스핀 동역학에 대한 이론적 이해도 아직 완성 단계가 아니어서, 후속 연구가 필요하다.