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h-BNヘテロ構造を利用したダイヤモンドスピン量子ビットの特性向上と独立制御

Research Project

Project/Area Number 21J01804
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science
Research Fellow 蔭浦 泰資  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 特別研究員(PD)
Project Period (FY) 2021-04-28 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywordsダイヤモンド / NV中心 / 六方晶窒化ホウ素 / 表面・界面 / 電子デバイス
Outline of Research at the Start

ダイヤモンド中の単一欠陥である窒素-空孔中心は、その優れたスピン操作性や室温における長いコヒーレンス時間のために、高感度量子センサや高性能量子プロセッサへの応用が期待されている。本研究では、高品質なh-BN/ダイヤモンドヘテロ界面を利用した電子デバイス構造によって単一NVスピンを個々に制御する手法を確立し、NV量子ビットの多量子ビット化や長寿命量子メモリの実現への道を切り開く。

Outline of Annual Research Achievements

ダイヤモンド中の欠陥である窒素-空孔中心(以下、NVセンター)は、その優れたスピン操作性や室温における長いコヒーレンス時間を活かし、高感度量子センサや高性能量子プロセッサへの応用が期待されている。本研究では、高品質なh-BN(六方晶窒化ホウ素)/ダイヤモンドヘテロ界面を利用した電子デバイス構造により単一NVセンターのスピンを個々に制御する手法を確立し、NVセンター量子ビットの多ビット化や長寿命量子メモリの実現への道を切り開くことを目的とした。当該年度は、高品質なh-BN/ダイヤモンドヘテロ界面を利用したデバイス構造の作製(①)に取り組んだ。その過程で、極低不純物濃度のダイヤモンド中の浅いNVセンターに対する微量ホウ素の影響について新たな知見(②)を得た。
①:水素終端を形成後、大気暴露を介さずにh-BNを転写した構造下の浅いNV中心の電荷状態を評価した。h-BN被覆内外における負に帯電したNV-状態の確率は、h-BN被覆内のほうが高い傾向が見られた。これは、大気暴露により生じる表面吸着物が上記h-BN転写プロセスでは低減されたからであると考えられ、浅いNV中心の電荷安定化にh-BN被覆が有効であることを示している。また、水素終端下の単一NV中心として世界初のスピン操作(ODMR, Rabi, スピンエコー)を実証した。
②:一般にホウ素は結晶中でアクセプタとして働き、スピン操作が不能な正に帯電したNV+状態の生成を促進する。しかし、ホウ素ドープ結晶(ホウ素濃度が窒素濃度以上)において、ホウ素が低濃度(<10^15cm-3)であれば単一NV中心が負に帯電できること、スピン操作が可能であることを発見した。この負の帯電状態はレーザー励起による二光子過程によるものであること、その電荷安定性はNVセンターから最近接のドーパント種類(主に窒素とホウ素)およびその距離に依存することを示した。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Report

(1 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Charge Stability of Shallow Single Nitrogen-Vacancy Centers in Lightly Boron-Doped Diamond2022

    • Author(s)
      T. Kageura, Y. Sasama, C. Shinei, T. Teraji, K. Yamada, S. Onoda, T. Yamaguchi,
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 192 Pages: 473-481

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2022.01.027

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride heterostructures2022

    • Author(s)
      Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takashi Uchihashi, Yamaguchi Takahide
    • Journal Title

      Nature Electronics

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 37-44

    • DOI

      10.1038/s41928-021-00689-4

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Highly aligned 2D NV ensemble fabrication from nitrogen-terminated (111) surface2021

    • Author(s)
      Tatsuishi Tetsuya、Kanehisa Kyotaro、Kageura Taisuke、Sonoda Takahiro、Hata Yuki、Kawakatsu Kazuto、Tanii Takashi、Onoda Shinobu、Stacey Alastair、Kono Shozo、Kawarada Hiroshi
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 180 Pages: 127-134

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2021.04.057

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Quantum sensing based on spin qubits in diamond2022

    • Author(s)
      Taisuke Kageura
    • Organizer
      The 11th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 低濃度ホウ素ドープダイヤモンド中における単一NV中心の電荷安定性2022

    • Author(s)
      蔭浦 泰資, 笹間 陽介, 真栄 力, 寺地 徳之, 山田 圭介, 小野田 忍, 山口 尚秀
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 材料開発から見たダイヤモンド量子センサの現状と展望2022

    • Author(s)
      蔭浦 泰資
    • Organizer
      第8回 TIA-EXA広域エレクトロニクス融合セミナー
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Charge Stability of Single Shallow NV Centers in High Purity Diamond2021

    • Author(s)
      Taisuke Kageura, Yosuke Sasama, Chikara Shinei, Tokuyuki Teraji, Keisuke Yamada, Shinobu Onoda and Takahide Yamaguchi
    • Organizer
      14th International Conference on New Diamond and Nano Carbons 2020/2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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