다이아몬드 nv 센터 기반 초정밀, 고분해능 자기장 이미징 연구 -...

양자나노과학연구단

물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201 8 15

저자약력

최태영 교수는 미국 오하이오 주립대에서 2011년 박사학위 후, 미국 메릴랜드

대학교 Joint Quantum Institute의 Chris Monroe 그룹에서 박사후연구원

으로 초극저온 트랩 이온(trapped ion quantum optics) 연구를 하였고,

2014년에 IBM Almaden 연구소에서 주사터널현미경을 이용하여 표면상의

단원자의 양자상태를 연구하였다. 2017년부터 이화여대 물리학과 조교수 및

기초과학연구원 양자나노과학연구단의 연구위원으로서 광학과 고주파를 이용

한 원자기반의 양자 센싱과 양자정보분야에 대한 연구를 진행하고 있다.

([email protected]; [email protected])

이동헌 교수는 미국 오하이오주립대에서 2010년 박사학위를 받은 후 미국 예

일대 박사후연구원, UCSB 수석연구원을 거쳐 2016년 3월부터 고려대학교

물리학과에 조교수로 재직 중이다. 다이아몬드 NV 센터, 광역학계(cavity op-

tomechanics), 주사탐침현미경(scanning probe microscopy) 등 양자광

학, 응집물리 분야 실험 전문가이고 다이아몬드 NV 센터를 이용한 양자센싱/이

미징, 양자계측 연구를 진행하고 있다.([email protected])

다이아몬드 NV 센터 기반 초정밀, 고분해능 자기장

이미징 연구 DOI: 10.3938/PhiT.27.030

최태영 ․이동헌

REFERENCES

[1] http://www.qns.science.

[2] T. Choi et al., Nat. Nanotechnol. 12, 420 (2017).

REFERENCES

[1] H. Iwai, Microelec. Eng. 86, 1520 (2009).

[2] S. C. Chae et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 107, 2136 (2010).

[3] J. M. Taylor et al., Nature Physics 4, 810 (2008).

Scanning Probe Microscopy Based on Diamond

Quantum Defects

Taeyoung CHOI and Donghun LEE

Atom-like defect centers in diamond crystals have received

rapidly increasing attention due to their unique properties

for quantum applications. Particularly, nitrogen-vacancy

(NV) defect centers in diamond are solid-state spin qubits

possessing remarkable quantum properties applicable to

various fields, including quantum information science and

quantum sensing. For instance, their atomic-scale size, long

spin coherence times, and high magnetic field sensitivity are

suitable for nanometer and nanotesla magnetometry. In this

research, we will develop novel scanning probe microscopes

based on diamond NV centers combined with advanced

techniques adopted from scanning tunneling microscopy.

This will provide high spatial resolution and magnetic sensi-

tivity suitable for atomic-scale imaging of magnetic orders in

solid-state materials. With the microscope, we will focus on

novel spin phenomena in exotic magnetic materials and de-

vices, as well as structures and phenomena in those materi-

als and devices, including magnetic 2D materials, oxide in-

terfaces and magnetic excitations, at low temperatures.

서 론

미시적인 레벨에서 자기적 특성을 이해하는 것은 기초물리

뿐만 아니라 다양한 현대 과학기술에 있어 매우 중요한 연구

주제라 할 수 있다. 계속해서 작아지고 있는 전자소자 및 스핀

트로닉(spintronic) 기기에서부터 나노미터 수준에서 특이한 자

성을 보이는 물질에 대한 연구에 이르기까지 높은 공간 분해능

과 높은 자기장 감도를 동시에 만족하는 자기 측정 장치의 필

요성은 나날이 증가하고 있다.[1,2] 원자 크기의 결함이자, 뛰어

난 양자 특성과 높은 자기장 감도를 갖는 다이아몬드 질소-빈

자리 결함(diamond NV center, NV 센터)은 이러한 필요를 충

족해줄 수 있을 것으로 기대된다.[3] 본 연구그룹은 이러한 NV

센터만의 고유한 특징들을 주사 탐침 현미경(scanning probe

microscope, SPM) 기술과 결합하여 새로운 형태의 자력계를

개발하고 이를 통해 기존 기술로는 측정이 어려웠던 다양한 응

집물질물리 자성 연구를 진행하고자 한다.

자기장 센싱 및 이미징 기본 원리

다이아몬드 NV 센터는 독특한 특성으로 인해 최근 양자정보

및 양자계측 분야에서 큰 주목을 받고 있다. NV 센터는 다이

아몬드 결정 내에 “포획된(trapped)” 결함기반 스핀 큐빗으로써


물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201816

Fig. 1. Schematics of diamond-based SPM. An NV center is located

at the apex of a diamond AFM probe which scans over the surface

of magnetic samples and detect local magnetic stray field. NV’s

ground spin levels and relevant Zeeman splitting is displayed as well.

Fig. 2. Examples of magnetic imaging on (a) domain wall (Ref. 8),

(b) skyrmion (Ref. 9), (c) superconducting vortex (Ref. 10), and (d)

antiferromagnetic multiferroic BiFeO3 (Ref. 11).

REFERENCES

[4] N. Bar-Gill et al., Nat. Comms. 4, 1743 (2013).

[5] G. D. Fuchs et al., Science 326, 1520 (2009).

[6] R. Schirhagl et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 83 (2014).

[7] F. Casola et al., Nat. Rev. Matr. 3, 17088 (2018).

[8] J.-P. Tetienne et al., Nat. Comms. 6, 6733 (2015).

[9] Y. Dovzhenko et al., axXiv:1611.00673 (2016).

[10] L. Thiel et al., Nat. Nano. 11, 677 (2016).

[11] I. Gross et al., Nature 549, 252 (2017).

긴 결맞음 시간(e.g. coherence time, 상온에서 21 ms),

빠른 양자제어 시간(e.g. Rabi time1 ns), 높은 자기장 감도

(e.g. 1 nT/√Hz) 등과 같은 여러 우수한 양자 특성을 가지고

있다.[3‒5] 또한, 원자 크기의 점결함이기 때문에 나노미터 수준

의 국소적인 영역에서의 자기 검출이 가능하고, 이는 고해상도

자기 영상 기술에 응용될 수 있다. 이와 같은 장점 외에도 넓

은 온도 범위에서도 우수한 성능을 유지하고 화학적으로 비독

성, 비활성적이며 생체 친화적이기 때문에 저온 고체 물질부터

상온 생체 물질에 이르기까기 다양한 자성 연구에 활용이 가능

하다.[6,7]

그림 1은 본 프로젝트에서 제작하고자 하는 다이아몬드 주사

탐침 현미경(diamond SPM)의 기본 작동원리를 보여준다. 다이

아몬드 SPM은 원자힘현미경(atomic force microscope, AFM)

과 NV 센터가 결합된 형태로 나노 공정을 통해 제작된 다이아

몬드 AFM의 탐침 끝단에 NV 센터를 위치시킨다. 이 탐침을

이용하여 연구하고자 하는 자성 시료 표면을 훑고 지나가면서

광학검출 자기공명(optically detected magnetic resonance,

ODMR)이라는 방법을 통해서 시료로부터 발생하는 국소 자기

신호를 측정하게 된다. NV 센터는 음전하를 띨 때 총 두 개의

홀전자(unpaired electron)를 가지며 바닥상태(ground state)에

서 스핀 triplet 상태(S 1)인 스핀 큐빗이다. 이때, NV 센터

의 축 방향으로 외부 자기장이 존재하게 되면 Zeeman 효과로

인해 s±1 스핀 상태들이 서로 멀어지게 되는데 이러한

에너지 벌어짐(Zeeman splitting)으로부터 외부 자기장을 측정

할 수 있게 된다. 각 스핀 레벨에 해당하는 주파수의 마이크로

파(microwave)를 가해주게 되면 자기공명이 일어나면서 NV 센

터로부터 방출되는 photoluminescence 크기가 줄어들게 되는

데, 이러한 광특성의 변화를 통해 s±1 스핀 준위 간 상

대적인 벌어짐을 알 수 있다. 따라서 다이아몬드 AFM 탐침을

이용하여 시료 표면의 각 지점에서 발생하는 에너지 벌어짐을

측정하게 되면 이를 통해 시료 표면에서의 자기장 분포를 높은

공간 분해능으로 영상화할 수 있게 된다. 또한, 스핀 메아리

(spin echo)나 동적 분리(dynamical decoupling)와 같은 펄스

기반 양자제어 프로토콜을 이용하면 자기장 잡음을 효과적으로

제거할 수 있게 되어 MHz 영역까지의 교류 자기장도 매우 정

밀하게 측정할 수 있다. 뿐만 아니라, 다이아몬드 SPM은 극저

온에서부터 상온까지 넓은 범위의 온도에서 구동이 가능한데,

이는 온도 변화에 따라 자기 위상(magnetic orders)이 변하는

물질을 연구하는데 있어서 필수적인 장점이라고 할 수 있다.

국내외 연구 현황 및 도전 과제

이러한 고유한 장점으로 인해 이미 해외 선도 그룹에서는


Fig. 4. Experimental setup at IBS and basic NV measurement. (a)

Room temperature confocal microscope has been constructed. SPM

parts are currently in the stage of designing and will be installed

soon. (b) Confocal image displays photoluminescence (PL) signal

from NV centers. (c) Continuous-wave electromagnetic resonance

(CW-ESR) measurements plot NV’s PL signal as a function of micro-

wave frequency. The reduction in PL corresponds to the spin tran-

sition between ms = 0 and ms = ±1. From the Zeeman splitting, we

can obtain magnetic field along the NV’s quantization axis.

Fig. 3. Schematics of the experimental setup. Confocal optics consist

of laser (532 nm), APD single photon detector, and an objective

lens. Diamond SPM consists of multiple 3D coarse positioners and

scanners. Microwave antenna provides microwave photons around 3

GHz.

NV 센터를 이용하여 다양한 응집물질물리에 대한 연구를 활발

히 진행하고 있고, 그림 2는 몇 가지 최신 연구 예들을 보여주고

있다(e.g. magnetic domain wall, skyrmion, superconducting

vortex, antiferromagnetic bismuth ferrite: BiFeO₃). 하지만,

다이아몬드 SPM을 이용한 자기장 이미징 연구는 여전히 초기

단계이고 앞으로 해결해 나가야 할 많은 도전 과제들을 안고

있다. 예를 들어, 다이아몬드 AFM 탐침을 만들고 탐침 끝에

높은 품질의 NV 센터를 정밀하게 위치시키며 진공 및 저온에

서 in-situ 광학과 고성능 SPM 기술을 효과적으로 결합하는 과

정은 상당한 노력과 노하우를 필요로 한다. 특히, 그림 3에서

볼 수 있듯이 다양한 3차원 주사 현미경 파트들과 공초점

(confocal) 광학 파트들을 효과적으로 결합, 제어하면서 높은

안정성, 고해상도, 초정밀 자기장 측정을 모두 만족하며 이미징

을 해야 하기 때문에 양자 광학과 주사 탐침 분야의 핵심기술

들이 모두 필요하다.

IBS 실험 상황 및 향후 계획

따라서 본 프로젝트에서는 IBS와 고려대 연구팀 간의 공동

연구를 통해 이와 같은 어려움을 해결하고자 한다. 주사 현미

경 분야의 전문가 그룹인 IBS와 양자광학 분야의 전문가 그룹

인 고려대학교 연구팀이 긴밀히 협업하여 높은 공간 분해능과

자기장 감도를 동시에 만족하며 넓은 온도 영역에서 구동 가능

한 우수한 성능의 다이아몬드 SPM을 제작하고 이를 통해 응집

물질물리 분야 자성 연구에 응용하고자 한다.

현재 본 연구단은 공초점 광학 장치를 제작하고 NV 센터를

이용한 초정밀 자기장 센싱 연구를 수행하고 있다(그림 4). 이

를 위해 정밀 센싱에 필요한 다양한 측정 프로토콜을 시험하고

있고 advanced 양자제어 알고리즘을 개발하고 있다. 이와 병

행하여 저온(예를 들어, 4 K)에서도 안정적으로 구동 가능한 주

사 현미경 장치를 디자인하고 곧 제작에 들어갈 계획이다. 이

실험장치는 수십 나노미터 수준의 공간 분해능과 나노테슬라

수준의 자기장 감도를 가질 것으로 기대된다. 또한, 개발된 다

이아몬드 SPM 장치를 이용하여 위상 자기물질(topological

magnetic materials), 자성 복합산화물(magnetic complex ox-

ides), 자성 2차원 물질(magnetic 2D materials) 등과 같은 특

이 자성 물질 및 자성 소자들을 연구해 나갈 계획이다.



Introduction to Authors

Taeyoung Choi received his Ph.D. at Ohio State University in 2011.

Since then, he has studied ion trap quantum optics as a post-

doctoral researcher at the Chris Monroe group in Joint Quantum

Institute of the University of Maryland. Since 2014, he has inves-

tigated the quantum states of single atoms on surfaces using STM.

Since 2017, he is working as an assistant professor at Ewha

Womans University and a research fellow at the Center for

Quantum Nanoscience of Institute for Basic Science. His major is

quantum sensing and quantum information using single atoms

based on optics and at high frequency.

([email protected]; [email protected])

Donghun Lee received his Ph.D. in 2010 from Ohio State

University, USA. Since then, he has worked as a postdoctoral re-

searcher at Yale University in USA and as a senior researcher at

UCSB. Since 2016, he is working as an assistant professor at Korea

University. He is an expert in quantum optics and condensed mat-

ter physics, including diamond NV centers, cavity optomechanics,

and scanning probe microscopy. He is currently conducting quan-

tum sensing/imaging using diamond NV centers.

([email protected])

Scanning Probe Microscopy Based on Diamond

Quantum Defects

Taeyoung Choi․Donghun Lee

REFERENCES

[1] http://www.qns.science.

[2] T. Choi et al., Nat. Nanotechnol. 12, 420 (2017).

REFERENCES

[1] H. Iwai, Microelec. Eng. 86, 1520 (2009).

[2] S. C. Chae et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 107, 2136 (2010).

[3] J. M. Taylor et al., Nature Physics 4, 810 (2008).

Atom-like defect centers in diamond crystals have received

rapidly increasing attention due to their unique properties

for quantum applications. Particularly, nitrogen-vacancy

(NV) defect centers in diamond are solid-state spin qubits

possessing remarkable quantum properties applicable to

various fields, including quantum information science and

quantum sensing. For instance, their atomic-scale size, long

spin coherence times, and high magnetic field sensitivity are

suitable for nanometer and nanotesla magnetometry. In this

research, we will develop novel scanning probe microscopes

based on diamond NV centers combined with advanced

techniques adopted from scanning tunneling microscopy.

This will provide high spatial resolution and magnetic sensi-

tivity suitable for atomic-scale imaging of magnetic orders in

solid-state materials. With the microscope, we will focus on

novel spin phenomena in exotic magnetic materials and de-

vices, as well as structures and phenomena in those materi-

als and devices, including magnetic 2D materials, oxide in-

terfaces and magnetic excitations, at low temperatures.

Introduction

Understanding magnetic properties at microscopic-level is

crucial for both in modern technologies and fundamental

physics. The need for magnetic sensors possessing nano-

scale resolution and high field sensitivity is exploding due to

ever-shrinking sizes of electronic and spintronic devices and

the discovery of exotic materials that are predicted to have

non-trivial magnetic properties at the nanoscale.[1,2] The ni-

trogen-vacancy (NV) center in diamond has the potential to

meet this need as it is an atomic-scale defect and possesses

excellent quantum properties suitable as an ultra-sensitive

magnetic sensor.[3] By combining these unique prospects of

NV center with scanning probe microscopy (SPM), we devel-

op a novel nanoscale magnetometer to solve a large class of

problems in condensed matter systems where there are no

current magnetic measurement solutions.

Basics of magnetic sensing with NV center

The NV center has attracted increasing attention due to

its unique potentials in quantum information science and

quantum metrology. The NV center is a solid-state spin qu-


물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201816

Fig. 1. Schematics of diamond-based SPM. An NV center is located

at the apex of a diamond AFM probe which scans over the surface

of magnetic samples and detect local magnetic stray field. NV’s

ground spin levels and relevant Zeeman splitting is displayed as well.

Fig. 2. Examples of magnetic imaging on (a) domain wall (ref. 8),

(b) skyrmion (Ref. 9), (c) superconducting vortex (Ref. 10), and (d)

antiferromagnetic multiferroic BiFeO3 (Ref. 11).

REFERENCES

[4] N. Bar-Gill et al., Nat. Comms. 4, 1743 (2013).

[5] G. D. Fuchs et al., Science 326, 1520 (2009).

[6] R. Schirhagl et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 65, 83 (2014).

[7] F. Casola et al., Nat. Rev. Matr. 3, 17088 (2018).

[8] J.-P. Tetienne et al., Nat. Comms. 6, 6733 (2015).

[9] Y. Dovzhenko et al., axXiv:1611.00673 (2016) .

[10] L. Thiel et al., Nat. Nano. 11, 677 (2016).

[11] I. Gross et al., Nature 549, 252 (2017)

bit “trapped” in diamond crystal possessing remarkable

quantum properties such as long coherence time (e.g. T2

1 ms at room temperature), fast operation time (e.g. Rabi

time 1 ns), and high magnetic field sensitivity (e.g. 1

nT/√Hz).[3‒5] Furthermore, it is an atom-like point defect

providing magnetic imaging with nanometer scale spatial

resolution. Unprecedented combination of high spatial reso-

lution, magnetic field sensitivity, wide range of operation

temperature, and chemically inert nature of diamond posi-

tions NV-based magnetometers as a unique toolset to ex-

plore various magnetic samples ranging from solid-state

materials to organic magnets and living cells.[6,7]

Figure 1 shows basic concepts of magnetic field imaging

with the diamond SPM where an atomic force microscope

(AFM) is integrated with an NV center. The AFM tip is fab-

ricated from a diamond crystal and contains NV centers at

the tip apex. While the tip is scanned over the sample sur-

face, underlying magnetic signal is readout by means of op-

tically detected magnetic resonance (ODMR) method. The

NV center has total two unpaired electrons and forms spin

triplet states (S 1) in its ground energy level. Magnetic

field splits the NV’s spin states (i.e. s±1) via Zeeman

interaction and the consequent energy splitting is measured

from a reduction of photoluminescence intensity when ex-

ternal microwave is on resonance with the energy levels.

Therefore local magnetic information can be obtained by

simply recording the amount of Zeeman splitting at each

pixel of the scanned area. Moreover, pulse-based sensing

protocols such as spin echo and dynamical decoupling

techniques can be implemented to suppress environmental

magnetic noise enabling extremely sensitive measurements

of AC magnetic fields. The NV magnetometers can also op-

erate from room temperature down to cryogenic tempera-

tures. This capability is indispensable in the study of sol-

id-state materials whose magnetic phase evolves over the

wide temperature range.

Current status and challenges

Due to the unique properties, the NV magnetometers

have been applied to various solid-state spin systems from

room temperature to cryogenic temperatures. Figure 2 shows

examples of magnetic imaging on condensed matter sys-


Fig. 3. Schematics of the experimental setup. Confocal optics consist

of laser (532 nm), APD single photon detector, and an objective lens.

Diamond SPM consists of multiple 3D coarse positioners and scanners.

Microwave antenna provides microwave photons around 3 GHz.

Fig. 4. Experimental setup at IBS and basic NV measurement. (a)

room temperature confocal microscope has been constructed. SPM

parts are currently in the stage of designing and will be installed

soon. (b) confocal image displays photoluminescence (PL) signal

from NV centers. (c) continuous-wave electromagnetic resonance

(CW-ESR) measurements plot NV’s PL signal as a function of micro-

wave frequency. The reduction in PL corresponds to the spin tran-

sition between ms = 0 and ms = ±1. From the Zeeman splitting, we

can obtain magnetic field along the NV’s quantization axis.

tems including magnetic domain wall, skyrmion, super-

conducting vortex, and antiferromagnetic bismuth ferrite

(BiFeO3).

While NV centers have promising characteristics for mag-

netometry, it is challenging to incorporate high quality NV

centers near the tip and to realize high performance SPM

combined with in-situ optics. The latter becomes more diffi-

cult at low temperature. Figure 3 shows schematics of the

diamond SPM setup consisting of various 3-dimensional

scanning stages and confocal optics setup. One should

align optics with the diamond probe while scanning the tar-

get sample with high stability and spatial resolution. This

requires combined knowledge of quantum optics and scan-

ning probe techniques.

Current activities at IBS and outlook

In this project, collaborative efforts between IBS and

Korea University will be made upon realizing advanced SPM

based on diamond NV centers operating over wide range of

temperature. The expertise from quantum optics field (Korea

Univ.) will closely work with the expertise in SPM (IBS) to

construct an experimental apparatus that can showcase the

high spatial resolution and high magnetic field sensitivity.

We have built a room temperature confocal microscope to

test magnetic sensing capability with diamond NV centers

(see Fig. 4). For the enhanced magnetic sensing, we have

tested various sensing protocols and will develop advanced

quantum algorithm. Meanwhile, we are designing variable

temperature (4 K∼RT) scanning probe devices combined

with in-situ confocal microscope and microwave circuits.

This setup is expected to provide sub-nanometer stability, a

few tens of nanometers spatial resolution, and nanotesla

level of magnetic field sensitivity.

With the diamond SPM developed in this project, the

team will explore exotic magnetic materials and devices.

Some perspective systems are ferromagnets with topologi-

cally non-trivial magnetic phases, complex oxides with mul-

tiple exotic properties and magnetic semiconductors with

various interaction mechanisms. We will focus on out-

standing questions in these solid-state systems.

*영문 원고는 온라인에서만 보실 수 있습니다.

다이아몬드 nv 센터 기반 초정밀, 고분해능 자기장 이미징 연구 -...

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