실리콘 단일 회전 스핀 G 센터의 광학 검출

초록

실리콘 내 G 센터 결함의 단일 전자 스핀이 회전(텀블링)하면서 광학적으로 검출되었으며, 고해상도 펄스 ODMR을 통해 스핀 주축이 결정 격자 내에서 이산적인 여섯 방향으로 전이하는 미세한 자기 구조를 확인하였다. 마이크로파 장에 대한 결합 강도가 회전 상태에 따라 달라짐을 Rabi 진동 실험으로 입증하고, 이를 통해 결함의 원자적 재배열과 스핀-회전 상호작용을 정량적으로 모델링하였다.

상세 분석

본 논문은 실리콘 기판에 존재하는 G 센터(탄소-탄소 치환 원자와 사이에 끼어 있는 실리콘 원자) 결함을 단일 광자 검출 가능한 양자 시스템으로 활용한다는 점에서 혁신적이다. G 센터는 물 분자와 유사한 ‘의사‑분자(pseudo‑molecule)’ 구조를 가지며, 중심 실리콘 원자(Si_i)가 ⟨111⟩ 축을 중심으로 여섯 개의 등가 위치 중 하나에 존재하면서 결함 전체가 회전(텀블링)한다. 이러한 회전은 전자 스핀의 제로‑필드 스플리팅(ZFS) 축이 시간에 따라 변하게 만들고, 마이크로파(MW) 자장과의 결합 효율을 방향에 따라 달라지게 한다.

실험적으로 저자들은 실리콘 SOI 기판 위에 원형 브래그 격자 캐비티를 형성해 단일 G 센터의 발광 효율을 10³ 배 이상 향상시켰다. 1278 nm 제로‑포톤 라인에서 94 %의 Debye‑Waller factor를 달성하고, g²(0)≈0.02의 반자동 상관함수로 단일 광자 방출을 확인하였다. 광학 펌핑 후 비공명 레벨을 거쳐 메타스테이블 스핀 트리플렛(MS)으로 전이되는 과정에서 스핀‑의존적 광다이내믹스가 발생함을 이용해 ODMR을 수행하였다.

고해상도 펄스 ODMR 스펙트럼에서 두 개의 주요 ESR 전이(ν₊≈689 MHz, ν₋≈1721 MHz)를 확인하고, 이를 통해 ZFS 파라미터 D≈−1205 MHz, E≈516 MHz를 도출하였다. 이 값은 기존 집단 측정과 일치하지만, 단일 스핀 수준에서만 관찰 가능한 미세 구조가 존재함을 발견했다. Ramsey 인터페이스를 이용해 T₂*≈0.8–1.1 µs의 코히런스 시간을 확보하고, 푸리에 변환을 통해 각각 4·5개의 부가적인 피크가 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 피크는 핵스핀(²⁹Si, ¹³C)과의 초미세 상호작용이 아니라, 스핀 주축이 여섯 개의 서로 다른 결정 방향으로 점프하면서 발생하는 ‘스핀 텀블링’에 기인한다.

Rabi 진동 실험에서는 ν₊ 전이에 대해 모든 부가 피크가 동일한 Rabi 주파수를 보였으나, ν₋ 전이에선 두 집합(0,3)과(1,2,4,5) 사이에 약 2배 차이의 Rabi 주파수가 관측되었다. 이는 MW 자장이