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- 100% 광학 콘트라스트와 넓은 선형 측정 범위 동시 구현… 프라운호퍼 연구소, 차세대 양자센서 개발
- 뇌파로 외골격을 제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 발전에 기여할 것으로 기대

"노이즈를 넘어라"… 다이아몬드 레이저로 극미소 자기장 측정 한계 돌파

전기장의 흐름이나 지구 내부의 미세한 변화를 알려주는 '자기장'은 현대 과학이 주목하는 핵심 물리량이다. 하지만 극도로 약한 자기장을 외부의 방해 없이 측정하는 것은 오랜 과제였다. 최근 독일 연구진이 다이아몬드 결정의 결함을 활용해 감도와 측정 범위의 한계를 동시에 극복할 수 있는 새로운 양자센서 시스템을 선보였다. 

▲ 이 실험용 레이저 장치는 다이아몬드 내 NV 센터를 자기장 양자 센서로 사용한다. 광학 신호는 일반적인 몇 퍼센트 대비가 아닌 100% 대비를 달성했다. © Fraunhofer IAF

프라운호퍼 응용고체물리학연구소(IAF)의 플로리안 샬(Florian Schall) 연구원이 이끄는 연구팀은 다이아몬드 내 '질소-동공 센터(NV-center, Nitrogen-Vacancy center)'를 활용해 레이저 빛으로 미세한 자기장 변화를 정밀하게 읽어내는 실험적 레이저 시스템을 개발했다. 관련 연구 성과는 저명한 학술지 Nature Communications에 발표됐다.

약한 형광 대신 '레이저 출력' 직접 활용

기존의 다이아몬드 기반 양자센서는 결정 내 질소-공공 센터가 방출하는 미세한 형광 신호의 변화를 감지하는 방식을 주로 사용했다. 그러나 이 방식은 신호 변화폭이 불과 몇 퍼센트에 불과하다는 한계가 있었다.

연구팀은 혁신적인 접근으로 다이아몬드를 레이저 공진기 내부에 직접 통합했다. 자기장에 따라 변하는 결정의 광 흡수 특성이 미세한 빛 방출 대신 레이저의 발진 임계값 자체를 변화시키도록 설계한 것이다.

그 결과, 연구진은 마이크로웨이브를 이용한 양자상태 조절을 통해 레이저를 완전히 끄고 켤 수 있게 되었으며, 켜졌을 때 최대 50밀리와트(mW)의 강력한 광 출력을 얻었다. 두 상태 간의 차이는 기존의 수 퍼센트에 그치던 것과 대조적으로 100%의 광학 콘트라스트를 기록했다. 아울러 다이아몬드 내 4가지 방향의 결함 신호를 분리해 자기장의 세기뿐만 아니라 3차원 공간 성분(벡터)까지 정밀하게 측정할 수 있음을 입증했다.

"민감도냐, 측정 범위냐" 오랜 양자센서의 딜레마 해소

기존 센서들은 높은 감도를 얻으려면 측정할 수 있는 장(場)범위(Field range)를 좁게 포기해야 하는 구조적 트레이드오프(Zielkonflikt)를 안고 있었다. 반면 이번에 개발된 다이아몬드 레이저 센서는 마이너스 280에서 플러스 280 마이크로테슬라(µT)에 달하는 넓은 선형 측정 범위를 안정적으로 커버해 배경 자기장이 변하는 환경에서도 유리하다.

또한 이론적 수치로 계산된 3차원 전 방향의 감도 한계는 루트 헤르츠당 400 펨토테슬라(fT) 미만으로 나타나, 기존 형광 기반 센서 대비 이론상 최대 590배의 성능 우위를 시사했다. 다만, 이는 이상적인 노이즈 한계를 기준으로 한 것으로, 실제 센서 운용 환경에서 이 수준의 저노이즈가 완벽히 입증된 것은 아니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 및 의료용 측정 기대

이번 연구는 실험실 환경에서 광학 콘트라스트와 작동 원리를 완벽히 증명해 냈다는 점에서 큰 의미를 가진다. 프라운호퍼 IAF의 얀 예스케(Jan Jeske) 박사는 "자기장 의존적인 레이저 임계값 변화가 실험적으로 완전히 입증된 것을 보게 되어 매우 기쁘다"고 소감을 전했다.

연구팀은 향후 외부의 기술적 방해 요소들을 통제하고, 자기 차폐 시설이 없는 일반 환경에서도 이 센서가 얼마나 신뢰성 있게 작동하는지 검증할 계획이다. 장기적으로는 심장이나 뇌에서 발생하는 미세한 생체 자기장 측정, 자기장 기반 내비게이션, 자원 탐사 등은 물론, 뇌파로 외골격을 제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 발전에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

출처: 프라운호퍼 연구소 공식 발표 및 Nature Communications 원문 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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