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ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥を用いた核磁気共鳴センシング

Research Project

Project/Area Number 17J05890
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Applied materials
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

佐々木 健人  慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2020-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords量子センサー / 磁気共鳴 / ナノテクノロジー / 量子センシング / 核磁気共鳴
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、原子レベルの分解能を持つ核磁気共鳴検出を実現し、単一分子イメージング・構造解析の基盤技術を開発することである。ダイヤモンド表面近傍の窒素空孔欠陥(NVセンター)を量子磁場センサーとして利用し、外部分子中のプロトンや炭素同位体核スピンの高感度な検出や核種の決定、核スピンの位置決定技術の実現を目指した。昨年度までに、本研究の核となる、核種決定や核スピンの位置決定はプロトコル開発やその実験的検証を行った。
外部核スピンの検知や分子構造解析には、核スピン検知の感度と分解能をさらに高めることが求められる。今年度は、従来の計測シークエンスに、NVセンターの禁制遷移を操作する為の複合マイクロ波パルス法を取り入れ、超微細相互作用の制御を行うことで課題に取り組んだ。磁気モーメントの大きな禁制遷移によって相互作用強度を高めて、核磁気分極の効率を1.6倍向上した。また、センサーと核スピン間の相互作用を時間平均的に打ち消すことで、核スピン歳差周波数の不均一線幅の抑制にも成功した。その過程で、極少数のプロトンの歳差運動信号を直接的かつ曖昧さなく検知することに成功した。
加えて、昨年度、別方針として示唆したFPGAフィードバック計測についても、受入研究室のメンバーと共同して開発を進めた。FPGA制御によって従来のNV中心計測シークエンスを網羅的に再現した。また、標的となるプロトンスピンの探索や、FPGAの動作検証に有用な小型テーブルトップ共焦点顕微鏡装置の主要デザインを行い、その構築に貢献した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Construction and Operation of a Tabletop System for Nanoscale Magnetometry with Single Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond2020

    • Author(s)
      D. Misonou, K. Sasaki, S. Ishizu, Y. Monnai, K. M. Itoh, and E. Abe
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Issue: 2 Pages: 025206-025206

    • DOI

      10.1063/1.5128716

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Determination of the Position of a Single Nuclear Spin from Free Nuclear Precessions Detected by a Solid-State Quantum Sensor2018

    • Author(s)
      K. Sasaki, K. M. Itoh, and E. Abe
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 98 Issue: 12 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.98.121405

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tutorial: Magnetic Resonance with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond-Microwave Engineering, Materials Science, and Magnetometry2018

    • Author(s)
      E. Abe, and K. Sasaki
    • Journal Title

      J. Appl. Phys.

      Volume: 123 Issue: 16 Pages: 161101-161101

    • DOI

      10.1063/1.5011231

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond2019

    • Author(s)
      Kento Sasaki, Kohei M. Itoh, Eisuke Abe
    • Organizer
      Industry-UCB-UEC-Keio Workshop 2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ダイヤモンド量子計測による核スピンの位置決定2018

    • Author(s)
      佐々木健人、伊藤公平、阿部英介
    • Organizer
      第39回量子情報技術研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンド量子センサーを用いた核スピン歳差の検出による単一核スピンの位置決定2018

    • Author(s)
      佐々木健人、伊藤公平、阿部英介
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Determination of the position of a single nuclear spin via nuclear free precession detected by a diamond quantum sensor2018

    • Author(s)
      Kento Sasaki, Kohei M. Itoh, Eisuke Abe
    • Organizer
      29th International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] パルスODMRを用いた高分解能核磁気共鳴検出2018

    • Author(s)
      佐々木健人,伊藤公平,阿部英介
    • Organizer
      Spin-RNJ Symposium 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンド中欠陥を用いたNMRと高分解能交流磁場検出2018

    • Author(s)
      佐々木健人,渡邉幸志,伊藤公平,阿部英介
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report

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Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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