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Quantum coherent coupling between NV centers in diamond and nuclear spins

Research Project

Project/Area Number 17K14079
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Nanostructural physics
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

Ishikawa Toyofumi  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, 研究員 (00717746)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords量子センシング / ダイヤモンド / 量子情報処理 / 固体物性 / NV中心 / コヒーレント結合 / 量子情報
Outline of Final Research Achievements

Qubit-based sensors, called quantum sensors, have attracted considerable attention for their ultra-high sensitivity beyond conventional magnetic sensors. In particular, the spin state of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has high spatial resolution in addition to high sensitivity. Therefore, it can detect a small amount of nuclear spins in a nanometer scale, realizing early diagnosis and precision medicine based on nano NMR. Here, we research improvement of the sensitivity of NV quantum sensors with quantum coherent coupling to nuclear spins. We propose parametric quantum coupling between NV centers and nuclear spins, which can control the coupling through microwave amplitude applied to NV centers. This coupling can be realized by the microwave, the direction of which is parallel to the NV symmetry axis and its frequency is matched to the difference betwen NV and nuclear-spin frequencies.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子センシングによる原子スケールでの核スピン検出は創薬分野だけでなく、プレシジョンメディシンや微小量の病原体の早期発見の診断技術としても注目を集めている。しかし、その実用に向けては核スピン検出の高速化が、原理、デバイス、データ処理の様々な面から必要である。本研究課題は測定原理の視点から微小領域の核スピン検出の高速化を試みたものであり、その成果は核スピン検出の高効率化のための基礎となり得る。

Report

(3 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Influence of Dynamical Decoupling Sequences with Finite-Width Pulses on Quantum Sensing for AC Magnetometry2018

    • Author(s)
      Ishikawa Toyofumi、Yoshizawa Akio、Mawatari Yasunori、Watanabe Hideyuki、Kashiwaya Satoshi
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 10 Issue: 5 Pages: 054059-054059

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.10.054059

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Detection of the phase shift of an alternating-current magnetic field by quantum sensing with multiple-pulse decoupling sequences2018

    • Author(s)
      Ishikawa Toyofumi、Yoshizawa Akio、Mawatari Yasunori、Watanabe Hideyuki、Kashiwaya Satoshi
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: -

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Presentation] ダイヤモンドNV量子センサーを用いた交流磁場位相測定2019

    • Author(s)
      石川 豊史、吉澤 明男、柏谷聡、馬渡 康徳、渡邊 幸志
    • Organizer
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンドNV中心を用いた交流磁場測定における有限パルス幅の影響2018

    • Author(s)
      石川 豊史、吉澤 明男、柏谷聡、馬渡 康徳、渡邊 幸志
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] NV中心集団を用いた核スピン検出における信号雑音比2018

    • Author(s)
      石川 豊史、吉澤 明男、柏谷聡、馬渡 康徳、渡邊 幸志
    • Organizer
      第32回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 窒素-空孔中心と核スピンとのマイクロ波によるパラメトリック結合2017

    • Author(s)
      石川 豊史、渡邊 幸志、吉澤 明男、馬渡 康徳、柏谷 聡
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] ダイヤモンドNV量子センシングによるデスクトップ型NMR装置2017

    • Author(s)
      石川豊史
    • Organizer
      理研-産総研第3回量子技術イノベーションコアワークショップ
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] NV量子センシングによるデスクトップ型NMR装置を用いたプロトン核スピン検出2017

    • Author(s)
      石川 豊史、吉澤 明男、柏谷 聡、馬渡 康徳、渡邊 幸志
    • Organizer
      第31回ダイヤモンドシンポジウム
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] センサ装置2018

    • Inventor(s)
      渡邊、柏谷、吉澤、馬渡、石川、櫻井、伊藤
    • Industrial Property Rights Holder
      渡邊、柏谷、吉澤、馬渡、石川、櫻井、伊藤
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2018
    • Related Report
      2017 Research-status Report

URL: 

Published: 2017-04-28   Modified: 2020-03-30  

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