과학 논문은 신기술이 어디에 활용되는지를 보여줍니다. 박사학위 논문은 이보다 한 걸음 더 나아가는 경우가 많습니다. 수년에 걸쳐 새로운 측정 장치, 방법, 실험이 개발되며, 이 과정에서 사용된 계측기는 연구 작업의 확고한 구성 요소가 됩니다.
2026년에 heliCam™을 이용한 영상화 자기장 측정을 다룬 박사학위 논문이 무려 세 편이나 발표되어 매우 기쁘게 생각합니다. 메릴랜드 대학교(University of Maryland)의 두 논문은 다이아몬드 내 질소-공공 결손 중심(NV 중심)을 기반으로 한 양자 다이아몬드 현미경(Quantum Diamond Microscopy)을 다루고 있습니다. 세 번째 논문은 프라운호퍼 물리측정기술연구소(Fraunhofer IPM)에서 얇은 루비듐 증기 셀을 이용한 영상화 영자계 자력측정법을 연구한 것입니다.
물리적 접근 방식은 서로 매우 다릅니다. 그러나 공통된 과제가 있습니다. 작고 시간적으로 변조된 광 신호를 공간적으로 분해하고 높은 감도로 검출해야 한다는 점입니다. 바로 이 지점에서 heliCam™의 픽셀 병렬 Lock-in 검출 방식이 특별한 가능성을 제공합니다.
Zechuan Yin: 펄스 측정 기법을 이용한 양자 다이아몬드 현미경
Zechuan Yin은 자신의 박사학위 논문 「Advanced Quantum Magnetic Microscopy With Solid-State Spin Ensemble in Diamond」에서 메릴랜드 대학교에서 차세대 양자 다이아몬드 현미경(QDM)을 개발했습니다.
다이아몬드 내 NV 중심은 고감도 자기장 센서로 활용되며 광학적으로 읽어낼 수 있습니다. 양자 다이아몬드 현미경에서는 이러한 NV 중심의 앙상블을 사용하여 자기장을 한 지점이 아니라 전체 영상 영역에 걸쳐 측정합니다.
이 논문의 주요 초점 중 하나는 이 원리를 고급 펄스 양자 센싱 기법으로 확장하는 것입니다. 이를 위해 개발된 QDM 플랫폼은 고속 Lock-in 카메라와 임의 파형 발생기(AWG)를 결합합니다.
이 플랫폼은 램지(Ramsey) 시퀀스를 이용한 정적 및 광대역 자기장 영상화, 동적 디커플링 프로토콜을 이용한 협대역 측정, 그리고 CASR(Coherently Averaged Synchronized Readout) 방식의 NMR 영상화를 가능하게 합니다.
고속 Lock-in 검출 방식은 전체 영상 영역에 걸쳐 변조된 형광 신호를 병렬로 평가할 수 있게 해주며, 이를 통해 기존의 펄스 양자 센싱 기법을 영상화 측정으로 확장하는 데 기여합니다.
Jiashen Tang: 높은 시간 분해능을 갖는 동적 자기장
Jiashen Tang의 박사학위 논문 「Advancing Quantum Diamond Sensing for Dynamic Magnetic Imaging and Directional Rare-Event Detection」 역시 메릴랜드 대학교에서 작성되었습니다.
논문의 첫 번째 부분에서 Tang은 정적 및 동적 자기장의 영상화 측정을 위한 펄스 양자 다이아몬드 현미경을 개발했습니다. 이 시스템은 이중 양자 램지 자력측정법(Double-Quantum-Ramsey-Magnetometrie), 스핀 배스 구동(Spin-Bath Driving), 그리고 고속 Lock-in 검출 방식을 결합합니다.
이로써 이 연구는 1밀리초 미만의 시간 분해능과 동시에 마이크로미터 단위의 공간 분해능을 갖춘 자기장 영상화를 입증합니다. 안정적인 평균화를 통해 피코테슬라 범위까지 자기장을 분해할 수 있습니다.
이러한 특성은 특히 전자 회로, 신소재, 또는 생물학적 시스템에서 발생하는 약하고 시간에 따라 변화하는 자기장에 유용합니다.
논문의 또 다른 부분에서는 희귀 사건과 그 방향 정보를 감지하는 센서로서 NV 중심을 연구합니다. 이 연구 분야는 다른 측정 개념을 따르며, 동시에 오늘날 다이아몬드 기반 양자 센싱 기술의 폭넓은 범위를 보여줍니다.
Ronja Rasser: 얇은 루비듐 증기 셀 내 7,000개 이상의 측정점
Ronja Rasser는 프라운호퍼 물리측정기술연구소(Fraunhofer IPM)에서 작성한 박사학위 논문 「얇은 루비듐 증기 셀을 이용한 영상화 영자계 자력측정법」에서 또 다른 물리적 접근 방식을 추구합니다.
여기서는 다이아몬드 내 NV 중심이 아니라 광학적으로 펌핑된 루비듐 원자가 자기장 센서 역할을 합니다. 단 300 µm 두께의 얇은 루비듐 증기 셀이 넓은 면적에 걸쳐 광학적으로 읽혀집니다. 국소 자기장은 스핀 편극된 원자의 광학적 특성에 영향을 미치며, 이로 인해 발생하는 투과광의 변조는 heliCam™을 이용해 공간적으로 분해하여 검출됩니다.
이 시스템은 단 하나의 증기 셀로 지름 약 4 mm의 원형 영역 내에서 7,000개 이상의 개별 측정점을 구현합니다. 달성된 공간 분해능은 약 40 µm입니다.
이를 통해 정적 자기장뿐만 아니라 130 Hz로 진동하는 자기장 구배의 측정도 가능하다는 것을 입증했습니다. 이렇게 단일 증기 셀로부터 2차원 자기장 카메라가 만들어집니다.
이로부터 탄생한 Optics Express 논문에 대해서는 이미 저희 기사 「heliCam™을 활용한 새로운 연구 논문 세 편 – 자기장에서 밀리미터파까지」에서 소개한 바 있습니다. 이번에 발표된 박사학위 논문은 이러한 연구들을 영상화 영자계 자력계 개발이라는 더 큰 맥락 속에 자리매김합니다.
세 편의 박사학위 논문 – 두 가지 센서 개념 – 하나의 공통된 측정 원리
다이아몬드 내 NV 중심과 증기 셀 속 루비듐 원자는 매우 다른 물리적 원리에 기반합니다. 두 접근 방식의 공통점은 카메라가 자기장을 직접 측정하지 않는다는 점입니다.
대신 자기장과 양자역학적 센서 시스템 간의 상호작용이 광학적으로 읽혀집니다. 이때 찾고자 하는 정보는 변조된 광 신호의 미세한 변화 속에 담겨 있습니다.
바로 이 지점에서 heliCam™이 활용됩니다. heliCam™은 수많은 화소에서 동시에 Lock-in 검출을 수행함으로써 높은 감도와 영상화 측정을 결합합니다.
heliCam™이 2026년 세 편의 박사학위 논문에서 새로운 자기 측정 기법 개발을 위한 도구로 활용되었다는 사실이 저희에게는 특별히 기쁜 일입니다. 이 연구들은 동시에 Lock-in 이미징이 NV 다이아몬드부터 원자 증기 셀에 이르기까지 다양한 양자 센서와 어떻게 결합될 수 있는지를 보여줍니다.
Zechuan Yin, Jiashen Tang, Ronja Rasser의 성공적인 박사학위 취득을 축하드립니다.
이 논문들을 비롯한 heliCam™을 활용한 더 많은 과학 논문은 저희의 Lock-in 카메라 관련 논문 모음에서 확인하실 수 있습니다.
Heliotis AG