Realization of ultraprecise single-ion implantation using laser-cooling for formation of NV-center arrays

• Project/Area Number: 20H00145
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 斎藤 勇一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先進ビーム利用施設部, 部長 (40360424)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 宏己 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (40211809) ; 伊藤 清一 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 助教 (70335719)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,630,000 (Direct Cost: ¥35,100,000、Indirect Cost: ¥10,530,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000); Fiscal Year 2020: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000)
• Keywords: イオントラップ / レーザー冷却 / 単一イオン引出し / NVセンター多量子ビット / 単一イオン注入 / NVセンター / 量子情報 / NVC多量子ビット

Outline of Research at the Start

研究チームが有する先進的ビーム集束技術"加速レンズ技術"と"レーザー冷却イオンの射出・制御技術"を融合し、任意の位置に任意の個数の窒素イオンを照射する技術を開発する。具体的には、ドップラーレーザー冷却と線形ポールトラップを利用して、Caイオンとの共同冷却によりmKオーダーの極低温に冷却した窒素イオンを1個ずつ引き出し、高縮小率が得られる加速レンズ技術を駆使して、数nmの精度で照射位置を制御する技術を実現する。この技術により、室温で動作する量子コンピュータや量子暗号通信、超高感度量子センサへの応用の期待が高いダイヤモンド中の窒素-空孔(NV)センターの多量子ビット化を大きく前進させる。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は、線形ポールトラップ(LPT)でトラップしたN_2^+イオンのCa^+イオンによる共同冷却のテスト及び分子動力学法によるクーロン結晶の解析を行った。
共同冷却では、N_2ガスをLPT設置チェンバー内に10^(-10)から500mbar・L/s程度まで導入し、Caオーブンを300℃に加熱、発生したCa原子を励起とイオン化用の2本のレーザー(423nm + 390nm)によりCa+を生成し、冷却用の2本のレーザー(397nm + 866nm)によりCa^+のみのクーロン結晶を生成させた。次に、電子銃によりN_2分子をイオン化しCa^+とN_2^+の混合イオン集団を形成させ、その中のCa^+をレーザーにより冷却した。冷却されたCa＾+によりN_2^+が冷却され、結果として4個のCa^+と1個のN_2^+からなる紐状の混合クーロン結晶の作製に成功した。また、これらの結果は、分子動力学法によるシミュレーションの結果とほぼ一致し、ある実験条件の下で形成されうるクーロン結晶構造を予測できることを示した。
LPT中でトラップ・冷却されたN_2^+イオンを引き出した後に加速レンズにより収束し、数十nmの位置精度で標的に注入し、注入されたことを確認する予定であったが、共同冷却のテストに想定外の時間がかかったため期間内の達成が困難となった。しかし、加速レンズ等の装置の整備は完了しているため、引き続き研究を進める予定である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Design of an apertureless two-stage acceleration lens for a single-ion implantation system (2023)
  • Author(s): Ishii Y.、Ohkubo T.、Miyawaki N.、Yuri Y.、Onoda S.、Narumi K.、Saitoh Y.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 541 Pages: 200-204
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2023.05.021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Calculation study of selective ion extraction from ion source with Paul-trap-type laser cooling device (2023)
  • Author(s): N. Miyawaki, Y. Ishii, Y. Yuri, K. Narumu, K. Muroo, K. Ito, and H. Okamoto
  • Journal Title: Nucl. Instrum. Meth. B Volume: 542 Pages: 183-187
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2023.06.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation study of ultrahigh-precision single-ion extraction from a linear Paul trap (2023)
  • Author(s): K. Muroo, H. Okamoto, N. Miyawaki, and Y. Yuri
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: - Issue: 6
  • DOI: 10.1093/ptep/ptad071
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] レーザー冷却イオンの100keV級ナノビーム集束－精密イオン注入装置開発のためのシミュレーション研究 (2024)
  • Author(s): 百合 庸介, 宮脇 信正, 穂坂 綱一, 細谷 青児, 石井 保行, 飯澤 正登実, 柏木 啓次, 山縣 諒平, 齋藤 勇一, 小野田 忍, 鳴海 一雅, 室尾 健人, 伊藤 清一, 岡本 宏己
  • Organizer: ビーム物理研究会・若手の会2023
• [Presentation] 精密単一イオン注入のためのイオン供給用スパッタイオン源の開発 (2023)
  • Author(s): 細谷 青児, 柏木 啓次, 斎藤 勇一, 百合 庸介, 穂坂 綱一, 島田 紘行, 宮脇 信正, 石井 保行, 山縣 諒平, 佐藤 隆博, 小野田 忍, 鳴海 一雅
  • Organizer: QST高崎サイエンスフェスタ2023
• [Presentation] リニアポールトラップからの超低エミッタンスイオンの選択的取出しの検討 (2023)
  • Author(s): 宮脇 信正, 石井 保行, 百合 庸介, 穂坂 綱一, 細谷 青児, 柏木 啓次, 島田 紘行, 山縣 諒平, 佐藤 隆博, 齋藤 勇一, 小野田 忍, 鳴海 一雅, 室尾 健人, 伊藤 清一, 岡本 宏己
  • Organizer: QST高崎サイエンスフェスタ2023
• [Presentation] レーザー冷却イオンに基づいた精密単一イオン注入に関する多粒子シミュレーション (2023)
  • Author(s): 百合 庸介, 宮脇 信正, 穂坂 綱一, 細谷 青児, 石井 保行, 柏木 啓次, 島田 紘行, 山縣 諒平, 佐藤 隆博, 齋藤 勇一, 小野田 忍, 鳴海 一雅, 室尾 健人, 伊藤 清一, 岡本 宏己
  • Organizer: QST高崎研サイエンスフェスタ2023
• [Presentation] 超高位置精度の単一イオン注入に向けたレーザー冷却イオン源の開発 (2023)
  • Author(s): 穂坂 綱一, 細谷 青児, 柏木 啓次, 百合 庸介, 宮脇 信正, 石井 保行, 島田 紘行, 山縣 諒平, 佐藤 隆博, 齋藤 勇一, 小野田 忍, 鳴海 一雅, 室尾 健人, 伊藤 清一, 岡本 宏己
  • Organizer: QST高崎研サイエンスフェスタ2023
• [Presentation] 超精密単一イオン注入装置におけるイオンダイナミクス研究 (2023)
  • Author(s): 百合 庸介, 宮脇 信正, 穂坂 綱一, 細谷 青児, 石井 保行, 柏木 啓次, 島田 紘行, 山縣 諒平, 佐藤 隆博, 齋藤 勇一, 小野田 忍, 鳴海 一雅, 室尾 健人, 伊藤 清一, 岡本 宏己
  • Organizer: 第20回日本加速器学会年会
• [Presentation] 3次元混合クーロン結晶からの単一イオン精密射出に関する多粒子シミュレーション (2023)
  • Author(s): 百合 庸介 , 室尾 健人 , 宮脇 信正 , 岡本 宏己
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 単一イオンビーム注入装置用二段階加速レンズの設計 (2023)
  • Author(s): 石井 保行 , 宮脇 信正 , 百合 庸介 , 小野田 忍 , 鳴海 一雅 , 齋藤 勇一
  • Organizer: 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] レーザー冷却イオンの超精密注入に関するシミュレーション研究 (2023)
  • Author(s): 百合 庸介 , 宮脇 信正 , 石井 保行 , 細谷 青児 , 穂坂 綱一 , 柏木 啓次 , 島田 紘行 , 山縣 諒平 , 横田 渉 , 佐藤 隆博 , 齋藤 勇一 , 小野田 忍 , 鳴海 一雅 , 室尾 健人 , 伊藤 清一 , 岡本 宏己
  • Organizer: 2022年度ビーム物理研究会・若手の会
• [Presentation] 線形ポールトラップイオン源からの選択的イオン取出しに関する研究 (2022)
  • Author(s): 宮脇 信正 , 石井 保行 , 百合 庸介 , 鳴海 一雅 , 室尾 健人 , 伊藤 清一 , 岡本 宏己
  • Organizer: 第19回日本加速器学会年会
• [Presentation] Design of a collimator-less two-stage acceleration lens for a single ion implantation system (2022)
  • Author(s): 石井 保行 , 宮脇 信正 , 鳴海 一雅 ,小野田 忍 , 齋藤 勇一
  • Organizer: 18th International Conference of Nuclear Technology and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calculation study for the selective ion extraction from an ion source with Paul-trap-type laser cooling devic (2022)
  • Author(s): 宮脇 信正 , 石井 保行 , 百合 庸介 , 鳴海 一雅 , 室尾 健人 , 伊藤 清一 , 岡本 宏己
  • Organizer: 18th International Conference of Nuclear Technology and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一イオン注入装置における静電レンズの比較 (2022)
  • Author(s): 石井保行、大久保 猛、宮脇信正、鳴海一雅、斎藤勇一
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 共同冷却された単一イオンの超高精度射出に関する研究 (2022)
  • Author(s): 室尾健人, 伊藤清一, 岡本宏己, 宮脇信正
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 線形ポールトラップからの単一カルシウムイオンの超高精度射出に関する研究 (2021)
  • Author(s): 室尾 健人、伊藤清一、岡本宏己、宮脇信正
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Introduction of the Ion-Trap Project of QST/Takasaki (2021)
  • Author(s): 鳴海 一雅
  • Organizer: TRiAC workshop