위그너 분자 (Wigner molecule)란 상호작용 에너지가 전자의 운동에너지보다 매우 큰 양자점에서 바닥상태의 전자밀도가 공간적으로 국소화 된 강상관 상태의 한 종류이다. 역사적으로 더 유명한 현상인 위그너 결정 (Wigner crystal)의 미시 스케일, 즉 작은 입자 개수의 버전으로 볼 수 있는데, 반도체 소자로 양자점을 형성하여 인공적으로 구현할 수 있고 개별 입자의 바닥 및 여기 에너지 상태를 자유롭게 조절할 수 있다는 점이 특별하다.

양자집적회로 연구실 (김도헌 교수)의 장원진 박사는 반도체 양자점 소자로 위그너 분자를 형성하고 주변 핵스핀을 정렬할 수 있는 스핀 펌핑법을 구현하였다. 상호작용이 강한 상태에서 흔히 나타나는 현상으로 바닥상태와 여기상태 에너지 차이의 현저한 압축이 있는데, 본 연구에서 제작한 양자점은 상호작용이 없는 3개전자 상태에 비해 1/100 보다 작은, 수GHz x h 의 에너지 차이를 가졌다. 수 GHz의 마이크로파 대역은 극저온 실험에서 스핀 큐비트를 제어하는데 적절한 주파수이기도 한 점에 착안하여 연구진은 서로 다른 스핀 각운동량 양자수를 가지는 멀티플렛의 중첩 상태를 라비진동, 램지 간섭실험 등 양자정보실험의 기법을 이용하여 제어하는데 성공하였다. 또한, 전자 스핀상태의 각운동량 양자수 변화는 초미세 상호작용 (hyperfine interaction) 때문에 확률적으로 주변 핵스핀 플립-플롭을 유도하는데, 그림과 같이 위그너 분자를 스핀펌프로 이용하여 주변의 핵스핀의 분극을 유도하고 분극의 크기와 방향을 원하는 대로 조절하는 것이 가능함을 입증하였다. 위그너 분자를 스핀펌프로 이용했을 경우 통상의 방법보다 핵스핀의 분극이 유지되는 시간이 수십 초 이상으로 매우 길게 관측되었는데 이는 향후 이론적인 추가해석과 함께 위그너 분자의 전자 파동함수의 공간적인 분포를 규명하는데 활용할 수 있는 실험적인 단서이다.

그 동안 인공적인 위그너 분자의 실험적인 구현 가능성, 전자밀도의 국소성 등은 중시계물리 분야에서 연구된 사례가 몇몇 있지만 강상관 분자의 압축된 여기 에너지 상태를 결맞게 제어하고 위그너 분자와 주변 환경의 상호작용을 제어한 것은 처음이다. 본 연구의 결과는 다학제적인 과학저널인 Nature Communications 지에 출판되었다.

 
Multielectron semiconductor quantum dots (QDs) provide a novel platform to study the Coulomb interaction-driven, spatially localized electron states of Wigner molecules (WMs). Although Wigner-molecularization has been confirmed by real-space imaging and coherent spectroscopy, the open system dynamics of the strongly correlated states with the environment are not yet well understood. Here, we demonstrate efficient control of spin transfer between an artificial three-electron WM and the nuclear environment in a GaAs double QD. A Landau–Zener sweep-based polarization sequence and low-lying anticrossings of spin multiplet states enabled by Wigner-molecularization are utilized. Combined with coherent control of spin states, we achieve control of magnitude, polarity, and site dependence of the nuclear field. We demonstrate that the same level of control cannot be achieved in the non-interacting regime. Thus, we confirm the spin structure of a WM, paving the way for active control of correlated electron states for application in mesoscopic environment engineering.

논문명: Wigner-molecularization-enabled dynamic nuclear polarization

저자: 장원진, 김제현, 박재민, 김경훈, 조민균, 장현규, 심상우, 강병우, 손한서, 정환철, Vladimir Umansky, 김도헌