카브야 마란

NV 다이아몬드 레이저 시스템은 최초로 최대 대비로 광학적으로 자기장을 측정합니다.

By 카브야 마란

October 22, 2026 3 Min Read

2026년 10월 22일 13:00

NV 다이아몬드 레이저 시스템은 최초로 최대 대비로 광학적으로 자기장을 측정합니다.

Fraunhofer IAF의 연구원들은 이전에는 달성할 수 없었던 민감도 한계와 동적 범위의 조합으로 자기장을 감지하는 레이저 강화 양자 센서를 개발했습니다. 레이저 임계 자기 측정 방식을 사용하여 이러한 양의 비율에서 현재 기술 상태에 비해 최대 590의 개선 계수를 입증할 수 있었습니다. 이는 강력한 레이저 측정 신호와 결합하여 최초로 100% 광학 대비를 달성함으로써 가능해졌습니다. Nature Communications 저널에 게재된 결과는 의료 진단, 항해 및 원자재 탐사에 대한 새로운 관점을 열어줍니다.

다이아몬드의 질소 공극 센터, 줄여서 NV 센터를 기반으로 하는 자기장 센서는 가장 중요한 고체 양자 센서 중 하나입니다. 이 장치는 실온에서 작동하고 컴팩트하게 통합될 수 있으며 강도뿐만 아니라 자기장의 방향도 결정할 수 있습니다(벡터 자기 측정법). 최근 기술의 발전으로 pT/√Hz 미만 범위에 대한 감도가 향상되어 이제 심장 신호를 측정하는 데 필요한 크기 정도가 되었습니다. 그러나 지금까지 연구자들은 항상 타협을 해야 했습니다. 감도가 매우 높은 센서는 동적 범위가 매우 작았지만 동적 범위가 큰 더 견고한 버전은 감도가 훨씬 낮았습니다.

프라운호퍼 응용 고체 물리학 연구소(IAF)의 연구원들은 레이저 임계 자기 측정법을 사용하여 이러한 목표 충돌을 완화하고 높은 감도 한계와 큰 동적 범위를 결합하는 접근 방식을 추구하고 있습니다. 다이아몬드의 NV 센터는 레이저 공진기의 광학 요소로 직접 통합되어 자기장에 따른 손실 채널 역할을 합니다. NV 형광 대신 연구원들은 시스템의 레이저 신호를 읽었습니다.

최초로 100% 광학적 대비

이번 간행물에서 연구원들은 두 개의 매체를 사용하여 이러한 레이저 임계 자력계를 시연했습니다. NV 중심과 공동의 광장 사이의 강력한 결합으로 인해 결합된 센서의 특성은 자기장의 변화에 민감하게 반응합니다. 레이저 시스템은 NV 자기측정법의 일반적인 몇 퍼센트 대신 100퍼센트의 광학 대비를 달성하는 동시에 훨씬 약한 NV 형광 신호에 비해 최대 50밀리와트의 출력으로 견고하고 일관된 레이저 신호를 제공합니다.

이러한 고대비와 강한 신호의 조합으로 인해 자기장 벡터의 세 가지 구성 요소 모두에 대해 400fT/√Hz 미만의 감도가 발생합니다. 단, 광자 샷 노이즈 제한이 주요 노이즈 소스로 가정됩니다. 또한 연구진은 광학적 대비가 100%에 접근할 때 이러한 감도 한계가 광학적 대비와 함께 선형적으로 향상된다는 사실을 처음으로 실험적으로 보여주었습니다.

기존 기술 대비 최대 590배 개선

민감도 한계와 동적 범위 사이의 비율은 매우 중요합니다. 두 변수 모두 일반적으로 다른 변수를 희생해야만 향상될 수 있기 때문입니다. 기존 형광 기반 NV 센서 및 가스 셀 자력계와 비교하여 NV 다이아몬드 레이저 시스템은 벡터 기능을 유지하면서 이 비율을 최대 590배까지 향상시킵니다.

»우리의 접근 방식을 통해 우리는 오랫동안 자기장 센서의 개발 및 적용을 제한해온 목표 충돌을 잠재적으로 해결할 수 있습니다. 이는 차세대 모바일 고감도 자기장 센서가 손에 닿을 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 Fraunhofer IAF의 양자 센서 연구원이자 논문 제1저자인 Florian Schall은 설명합니다.

Fraunhofer IAF의 양자 센서 그룹 책임자인 Jan Jeske 박사는 약 10년 전에 NV 다이아몬드를 사용하여 자기장 의존형 레이저 시스템을 만드는 아이디어를 이론적으로 처음 계산했습니다. »센서 기술이 몇 자릿수 향상되면서 우리는 장기적으로 레이저 임계 자기 측정법을 추구하게 되었습니다. 레이저 임계값의 자기장 의존적 이동이 이제 실험적으로 완전히 입증되었다는 사실을 알게 되어 매우 기쁩니다.”라고 Jeske는 말합니다.

이러한 양자 센서의 잠재적 응용 분야에는 심장, 근육 및 뇌 활동 연구, 자기 항법 및 자기 이상 탐지(예: 원자재 탐사 또는 보안 기술)가 포함됩니다.

출판에 대하여

“레이저 강화 양자 감지로 감도와 동적 범위가 향상됩니다”라는 간행물이 Nature Communications 저널에 게재되었습니다. Fraunhofer IAF, Twenty-One Semiconductors GmbH, Staten Island 대학(미국 CUNY), 국립 양자 과학 기술 연구소(일본) 및 RMIT 대학(호주)의 연구원들이 참여했습니다.

이 작품은 BMFTR(연방 연구 기술 우주부)의 자금 지원을 받는 등대 프로젝트 “신경 통신 인터페이스용 레이저 임계 자력계”(줄여서 NeuroQ)의 일환으로 제작되었습니다.
NeuroQ 컨소시엄은 미래에 뇌 활동을 기록하고 이를 뇌-컴퓨터 인터페이스를 통해 외골격으로 전송할 양자 센서를 개발하고 있습니다. 마비 환자는 정신으로 외골격을 제어하고 이동성을 회복할 수 있어야 합니다.
프로젝트 웹사이트 www.neuroq.de에서 프로젝트에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있습니다.