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Detection of nuclear spins using diamond quantum sensors with the Heisenberg limit sensitivity

Research Project

Project/Area Number 19H02547
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Itoh Kohei  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30276414)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywords量子センシング / ダイヤモンド中窒素空孔欠陥 / 核磁気共鳴
Outline of Research at the Start

ダイヤモンド中のNVセンターをセンサーとして用い、ダイヤモンド表面における単一分子中の核スピン三次元分布の検知を行うために、通常の標準量子限界を打ち破り、真の量子センサーで期待されるハイゼンベルグ限界の感度スケーリングを達成する。高コントラストなセンサースピンの射影測定とフィードバック制御を用いたセンサースピンの適応制御を行い、通常は時間に依存しないセンサー感度を、測定時間と共に向上させることで、単一電子スピン量子センサーに期待される究極の感度を得る。さらに、射影測定の結果から、測定反作用による核スピンの状態変化を逐次確定・追跡することで高感度かつ高分解能な分子三次元イメージングの基盤を築く。

Outline of Final Research Achievements

We developed and demonstrated a fundamental technology to increase the sensitivity of nuclear magnetic resonance measurements using a single electron spin localized at a nitrogen-vacancy center in diamond as a quantum sensor. We succussed implementation of a table-top measurement device capable of nuclear magnetic resonance, detection and quantum-control of single proton spins, and demonstration of an optimization method for spin readout based on a physical model published. As a method to increase the sensitivity scale, Bayesian estimation and FPGA-based instrument control methods were also developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

単一陽子の検出/制御や、解析方法の工夫による感度向上などは、発光欠陥による量子センサーのポテンシャルを実証し、さらに引き上げる成果として意義がある。様々な分野の基礎研究で日常的に利用される現在のプロトン核磁気共鳴(NMR)や磁気共鳴イメージング(MRI)手法を、量子センサーによって従来法では達成不可能な単一分子/スピンレベルまで拡張できることをサポートする研究成果は学術的および社会的に意義深い。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Detection and Control of Single Proton Spins in a Thin Layer of Diamond Grown by Chemical Vapor Deposition2020

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

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 117 Issue: 11

    • DOI

      10.1063/5.0016196

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [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
  • [Presentation] Optimizing optical readout of a nitrogen-vacancy center with spin relaxation model2022

    • Author(s)
      Y. Nakamura, H. Watanabe, K. M. Itoh, K. Sasaki, K. Kobayashi, and J. Ishi-Hayase
    • Organizer
      11th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スピン緩和モデルを用いた窒素空孔中心スピンの光学的読み出し最適化2022

    • Author(s)
      中村裕貴、渡邊幸志、伊藤公平、佐々木健人、小林研介、早瀬潤子
    • Organizer
      第69回 応用物理学会 春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] スピン緩和モデルを用いたダイヤモンドスピンの光学的読み出し最適化2022

    • Author(s)
      中村裕貴、渡邊幸志、伊藤公平、佐々木健人、小林研介、早瀬潤子
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンド中の窒素空孔中心を用いた単一プロトンスピンの検出と制御2021

    • Author(s)
      佐々木健人、渡邊幸志、角谷均、伊藤公平、阿部英介
    • Organizer
      スピントロニクス連携ネットワーク年次報告会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンド中量子センサによる単一プロトンスピンの検出と制御2021

    • Author(s)
      佐々木健人、渡邊幸志、角谷均、伊藤公平、阿部英介
    • Organizer
      日本物理学会 第76年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ダイヤモンド量子センサーによる単一核スピンの三次元位置決定法の開発2020

    • Author(s)
      佐々木健人、伊藤公平、阿部英介
    • Organizer
      Spin-RNJ若手オンライン研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Detectionand control of Single Proton Spins in a Diamond2020

    • Author(s)
      K. Sasaki, H. Watanabe, H. Sumiya, K. M. Itoh, and E. Abe
    • Organizer
      10th Workshop on Semiconductor/SuperconductorQuantum Coherence Effect and Quantum Information (Spin camp 10)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 慶應義塾大学伊藤研究室ホームページ

    • URL

      https://www.appi.keio.ac.jp/Itoh_group/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 慶應義塾大学伊藤研究室ホームページ

    • URL

      http://www.appi.keio.ac.jp/Itoh_group/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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