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토호쿠대학(東北大學) 대학원 이학연구과 등의 국제 공동 연구그룹이 약한 압력을 가한 실리콘 중의 붕소 원자에 속박된 정공(正孔)에 있어 매우 긴 코히런스(coherence) 시간을 관측함. 양자 컴퓨터 구축을 위해 강한 스핀 궤도 상호 작용과 긴 코히런스 시간을 양립하는 것이 큰 과제가 되고 있음. 연구진은 동위체 농축으로 얻어진 실리콘 28(28Si) 결정 중의 붕소 불순물 원자에 속박된 정공에 주목함. 실리콘 중의 정공은 강한 스핀 궤도 상호 작용을 가지며, 특히 붕소 원자에 속박된 정공에서는 특이한 에너지 준위 배치가 가능함. 연구진은 얇은 28Si 결정을 용융 석영 판에 붙임으로써 28Si 결정에 약간의 왜곡을 가하여 스핀 궤도 상호 작용을 조정했으며, 왜곡된 28Si 결정에 포함된 붕소 불순물에 대해 Hahn 에코법을 이용하여 일관성 시간을 측정한 결과, 일반적으로 스핀 양자 비트 측정과 동등한 극저온에 있어 붕소 원자에 속박된 정공이 0.9 밀리 초의 코히런스 시간을 갖는 것을 발견함. 관측된 코히런스 시간은 기존의 스핀 궤도 상호 작용을 갖는 양자 비트의 104~105배 큰 값이므로 코히런스 시간이 크게 개선된 것을 알 수 있음. 본 연구 성과는 강한 스핀 궤도 상호 작용과 긴 코히런스 시간의 양립이 가능함을 시사하며, 향후 반도체 기반 양자 컴퓨터의 개발에 기여할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ (“Engineering long spin coherence times of spin-orbit qubits in silicon”)에 게재됨.