Highly-sensitive NMR imaging by quantum control of diamond

• Project/Area Number: 15H03996
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: HAYASE Junko 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50342746)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡邊 幸志 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (50392684)
• Research Collaborator: MATSUZAKI Yuichiro 日本電信電話株式会社, NTT物性科学基礎研究所・量子電子物性研究部, 研究主任 (10618911)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000); Fiscal Year 2017: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2016: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2015: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 量子計測 / スピントロニクス / 結晶工学 / ダイヤモンド / 量子制御 / ダイヤモンドNV中心 / 磁気共鳴 / 磁場イメージング / ダイヤモンド成長 / ダイヤモンド微細加工

Outline of Final Research Achievements

We succeeded in creation of nitrogen-vacancy (NV) centers with simultaneously-controlled orientations and positons using nitrogen-doped isotopically-enriched chemical vapor deposition on microfabricated diamond substrate. We demonstrated high-sensitive AC magnetic field sensing with the preferentially-oriented NV ensemble using home-build wide-field optically-detected magnetic resonance microscope. We proposed and experimentally demonstrated highly-sensitive AC magnetic field by simultaneous quantum control of electric spins of NV centers using multi-frequency microwave.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Harvard/MIT(米国)
• [Journal Article] Vector-magnetic-field sensing via multifrequency control of nitrogen-vacancy centers in diamond (2017)
  • Author(s): Sayaka Kitazawa, Yuichiro Matsuzaki, Soya Saijo, Kosuke Kakuyanagi, Shiro Saito, and Junko Ishi-Hayase
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 96 Issue: 4 Pages: 42115-42115
  • DOI: 10.1103/physreva.96.042115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of Nitrogen-Vacancy Centers in Homoepitaxial Diamond Thin Films Grown via Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition (2016)
  • Author(s): H. Watanabe, H. Umezawa, T. Ishikawa, K. Kaneko, S. Shikata, J. Ishi-Hayase, and K. M. Itoh
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nanotechnology Volume: 15 Issue: 4 Pages: 614-618
  • DOI: 10.1109/tnano.2016.2528678
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Broadband, large-area microwave antenna for optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond (2016)
  • Author(s): K. Sasaki, Y. Monnai, S. Saijo, R. Fujita, H. Watanabe, J. Ishi-Hayase, K.M. Itoh and E. Abe
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.4952418
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Formation of Nitrogen-Vacancy Centers in Homoepitaxial Diamond Thin Films Grown via Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition (2016)
  • Author(s): H. Watanabe, H. Umezawa, T. Ishikawa, K. Kaneko, S. Shikata, J. Ishi-Hayase, and K.M. Itoh
  • Journal Title: The IEEE Transactions on Nanotechnology Volume: in press
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた量子センシング (2018)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 第38回「先端光量子科学アライアンスセミナー 慶應義塾大学が挑む光制御による新しい光科学」
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた多周波数制御磁場センシング (2018)
  • Author(s): 矢幡 健、松崎 雄一郎、齋藤 志郎、渡邊 幸志、早瀬 潤子
  • Organizer: 第38回「先端光量子科学アライアンスセミナー 慶應義塾大学が挑む光制御による新しい光科学」
• [Presentation] ダイヤモンドNV中心を用いたAC磁場センシング (2018)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 第147回微小光学研究会「光と××の相互作用」
  • Invited
• [Presentation] ダイヤモンド中NV中心 集合体を用いたスピン検出の感度計算 (2018)
  • Author(s): 北村 卓也、上杉 周平、松崎 雄一郎、齊藤 志郎、早瀬 潤子
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演
• [Presentation] ダイヤモンド中NV中心を用いた多周波ベクトル磁場センシング (2018)
  • Author(s): 矢幡 健、松崎 雄一郎, 齊藤 志郎、渡邊 幸志、早瀬 潤子
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ダイヤモンド中電子スピンの連続波光検出磁気共鳴を用いた交流磁場センサ (2018)
  • Author(s): 西條 蒼野、早瀬 潤子
  • Organizer: 「スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク」シンポジウム
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた量子センシング (2018)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 第10回 文部科学省「最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠点プログラム」シンポジウム
• [Presentation] Characterization and use of an ensemble of NV centers in diamond (2018)
  • Author(s): Y. Matsuzaki、S. Saijo、H. Morishita、T. Shimooka、T. Tashima、K. Kakuyanagi、K. Semba、W. J. Munro、H. Yamaguchi、S. Saito、K. Hayashi、I. Hanano、H. Watanabe、N. Mizuochi and J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 日本学術振興会「先端ナノデバイス・材料テクノロジー」151委員会 平成29年度第5回研究
  • Invited
• [Presentation] 微細加工基板上に生成したダイヤモンド中NV中心の特性評価 (2017)
  • Author(s): 藤田 留士郎，花野 郁也，渡邊 幸志，赤羽 浩一，早瀬 潤子
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] 多周波数制御によるダイヤモンド中窒素空孔中心高感度ベクトル磁場センサ (2017)
  • Author(s): 北澤 清香，松崎 雄一郎，矢幡 健，西條 蒼野，角柳 孝輔，齋藤 志郎，早瀬 潤子
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] AC magnetic field sensing using continuous-wave optically detected magnetic resonance of NV centers in diamond (2017)
  • Author(s): S. Saijo、Y. Matsuzaki、S. Saito、H. Watanabe、N. Mizuochi and J. Ishi-Hayase
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた電流センシングの感度計算 (2017)
  • Author(s): 織部 優也、西條 蒼野、渡邊 幸志、松崎 雄一郎、早瀬 潤子
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心の連続波光検出磁気共鳴を用いた交流磁場センシング (2017)
  • Author(s): 西條 蒼野、松崎 雄一郎、齊藤 志郎、渡邊 幸志、水落 憲和、早瀬 潤子
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Large-area two-dimensional array of preferentially-oriented nitrogen-vacancy centers in diamond (2017)
  • Author(s): I. Hanano、R. Fujita、H. Watanabe、K. Akahane and J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 28th International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-frequency vector magnetic field sensing using nitrogen-vacancy centres in diamond (2017)
  • Author(s): K. Yahata、S. Kitazawa、S. Saijo、Y. Matsuzaki、S. Saito、J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 28th International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Orientation and Position-controlled Nitrogen-Vacancy Centers in CVD Diamond on Micropatterned Substrate (2017)
  • Author(s): I. Hanano、R. Fujita、H. Watanabe、K. Akahane and J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 29th International Conference on Defects in Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-frequency Vector magnetic field sensing using nitrogen-vacancy centers in diamond (2017)
  • Author(s): K. Yahata、S. Kitazawa、S. Saijo、Y. Matsuzaki、S. Saito and J. Ishi-Hayase
  • Organizer: Gordon Reserch Conferences Quantum Sensing 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current sensing with an ensemble of nitrogen vacancy centers in diamond (2017)
  • Author(s): S.Saijo、H.Uchiyama、H. Watanabe、Y. Matsuzaki、Y. Ohno、J. Ishi-Hayase
  • Organizer: Gordon Reserch Conferences Quantum Sensing 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中窒素空孔中心を用いた量子センシング (2017)
  • Author(s): 織部 優也，渡邊 幸志，松崎 雄一郎，早瀬 潤子
  • Organizer: 第9回文部科学省「最先端の光の創成を目指したネットワーク研究拠点プログラム」シンポジウム
  • Place of Presentation: 弘済会館（東京都・千代田区）
• [Presentation] 集合体NV中心を用いた微小電流センシング (2016)
  • Author(s): 西條 蒼野，渡邊 幸志，松崎 雄一郎，早瀬 潤子
  • Organizer: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 上智大学軽井沢セミナーハウス（長野県・北佐久郡軽井沢町）
  • Year and Date: 2016-12-08
• [Presentation] 微細加工基板上にに生成されたダイヤモンド中NV中心－微細加工法による特性の違い－ (2016)
  • Author(s): 花野 郁也，藤田 留士郎，渡邊 幸志，赤羽 浩一，早瀬 潤子
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ダイヤモンド中NV中心のコヒーレンス－窒素核スピンの影響と同位体効果－ (2016)
  • Author(s): 藤田 留士郎，花野 郁也，上杉 周平，渡邊 幸志，松崎 雄一郎，赤羽 浩一，早瀬 潤子
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ダイヤモンド中NV中心集合体のパルス光検出磁気共鳴イメージング (2016)
  • Author(s): 岡崎 睦，渡邊 幸志，赤羽 浩一，門内 靖明，佐々木 健人，伊藤 公平，早瀬 潤子
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 配向制御されたダイヤモンドNV中心を用いた交流電流センシング (2016)
  • Author(s): 西條 蒼野，藤田 留士郎，花野 郁也，北澤 清香，渡邊 幸志，赤羽 浩一，松崎 雄一郎，早瀬 潤子
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 半導体中2準位系の量子制御－高感度光検出磁気共鳴顕微鏡の開発－ (2016)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
  • Invited
• [Presentation] Wide-field orientation imaging of nitrogen-vacancy centers in diamond (2016)
  • Author(s): M. Okazaki, R. Fujita, I. Hanano, H. Watanabe, K. Akahane, Y. onnnai, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related phenomena in Solids
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preferentially-oriented nitrogen-vacancy centers in diamond created using chemical vapor deposition on a micropatterned (001) substrate (2016)
  • Author(s): R. Fujita, S. Saijo, I. Hanano, H. Watanabe, K. Akahane, Y. Monnai, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related phenomena in Solids
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic field sensing using preferentially-oriented nitrogen-vacancy centers in diamond (2016)
  • Author(s): S. Saijo, H. Watanabe, Y. Monnai, S. Kitazawa, R. Fujita, Y. Matsuzaki, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase
  • Organizer: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related phenomena in Solids
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンドNV中心の生成制御と量子センシング (2016)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
  • Invited
• [Presentation] ダイヤモンド中電子スピンの光検出磁気共鳴イメージング (2016)
  • Author(s): 岡崎 睦，藤田 留士郎，渡邊 幸志，赤羽 浩一，門内 靖明，伊藤 公平，早瀬 潤子
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 微細加工基板上化学気相成長により生成した高配向率を有するダイヤモンド中窒素空孔中心のスピン特性 (2016)
  • Author(s): 藤田 留士郎，西條 蒼野，渡邊 幸志，赤羽 浩一，伊藤 公平，早瀬 潤子
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都・目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 微細加工基板上化学気相成長によるダイヤモンド中窒素空孔中心の特性制御 (2015)
  • Author(s): 藤田 留士郎，黒木 諒，赤羽 浩一，早瀬 潤子
  • Organizer: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 東京大学山中寮内藤セミナーハウス（山梨県・南都留郡山中湖村）
  • Year and Date: 2015-12-18
• [Presentation] ダイヤモンド量子イメージングーダイヤモンド中電子スピンのコヒーレンス制御と量子センシング応用ー (2015)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会
  • Place of Presentation: 東北大学電気通信研究所（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-12-04
• [Presentation] ダイヤモンド量子センシグ・イメージのための広帯域・高空間均一性マイクロ波アンテナのデザインと特性評価 (2015)
  • Author(s): 佐々木 健人，門内 靖明，西條 蒼野，藤田 留士郎，渡邊 幸志，阿部 英介， 早瀬 潤子，伊藤 公平
  • Organizer: 第20回スピン工学の基礎と応用
  • Place of Presentation: 東北大学電気通信研究所（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-12-03
• [Presentation] Engineered nitrogen vacancy centers in diamond for quantum (2015)
  • Author(s): J. Ishi-Hayase
  • Organizer: EMN Meeting on Vacuum Electronics
  • Place of Presentation: Las Vegas（USA）
  • Year and Date: 2015-11-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatially selective creation of nitrogen-vacancy centers with preferential orientation in an isotopically-purified diamond thin film (2015)
  • Author(s): J. Ishi-Hayase, H. Watanabe, and K. M. Itoh
  • Organizer: XIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information
  • Place of Presentation: Minsk（Belarus）
  • Year and Date: 2015-10-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ダイヤモンド中電子スピンのコヒーレンス制御と量子計測応用 (2015)
  • Author(s): 早瀬 潤子
  • Organizer: 新しい光科学の創成とナノ情報デバイスへの展開III」研究会
  • Place of Presentation: 東北大学電気通信研究所（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-10-16
• [Presentation] 微細加工(001)基板上化学気相成長によるダイヤモンド中窒素空孔中心の生成と位置・配向制御 (2015)
  • Author(s): 藤田 留士郎，黒木 諒，渡邊 幸志，赤羽 浩一，伊藤 公平，早瀬 潤子
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Orientation and Position-controlled Nitrogen-Vacancy Centers in CVD Diamond grown on Micropatterned (001) Sybstrate (2015)
  • Author(s): J. Ishi-Hayase
  • Organizer: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • Place of Presentation: かがわ国際会議場（香川県・高松市）
  • Year and Date: 2015-08-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Properties of Nitrogen-Vacancy Centers created using Chemical Vapor Deposition on Micropatterned Substrate (2015)
  • Author(s): R. Fujita, H. Watanabe, K. M. Itho, J. Ishi-Hayase
  • Organizer: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • Place of Presentation: かがわ国際会議場（香川県・高松市）
  • Year and Date: 2015-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wide-Field Orientation Imaging of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond (2015)
  • Author(s): M. Okazaki, S. Miyamoto, H. Watanabe, K. M. Itoh, J. Ishi-Hayase
  • Organizer: Diamond Quantum Sensing Workshop 2015
  • Place of Presentation: かがわ国際会議場（香川県・高松市）
  • Year and Date: 2015-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of position and orientation of nitrogen-vacancy centers in CVD-grown diamond thin film (2015)
  • Author(s): J. Ishi-Hayase, H. Watanabe and K. M. Ito
  • Organizer: 28th International Conference on Defects in Semiconductors
  • Place of Presentation: Helsinki（Finland）
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 微細加工上化学化学気相成長によるダイヤモンドNV中心の生成と特性制御 (2015)
  • Author(s): 藤田 留士郎
  • Organizer: 国際光年記念シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-04-21
• [Patent(Industrial Property Rights)] 磁場検出装置および方法 (2017)
  • Inventor(s): 松崎雄一郎，角柳孝輔，齊藤 志郎，早瀬潤子，北澤清香，西條蒼野
  • Industrial Property Rights Holder: 松崎雄一郎，角柳孝輔，齊藤 志郎，早瀬潤子，北澤清香，西條蒼野
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-036176
  • Filing Date: 2017-02-28